سوائل تبريد قائمة على الموائع النانوية الموصلة للحرارة
تُعد الموائع النانوية المُحضَّرة بالموجات فوق الصوتية سوائل تبريد وسوائل مبادلات حرارية فعّالة. وتزيد المواد النانوية الموصلة للحرارة قدرة نقل الحرارة وتبديدها زيادة كبيرة. وتُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية راسخة في تحضير الجسيمات النانوية الموصلة للحرارة وإكسابها خصائص وظيفية، وكذلك في إنتاج موائع نانوية مستقرة وعالية الأداء لتطبيقات التبريد.
تأثيرات الموائع النانوية على الأداء الحراري والهيدروليكي
الموصلية الحرارية للمادة هي مقياس لقدرتها على توصيل الحرارة. ويُرغَب في موصلية حرارية عالية لسوائل التبريد ومائع نقل الحرارة (الذي يُسمى أيضًا المائع الحراري أو الزيت الحراري). وتتمتع مواد نانوية عديدة بخصائص ممتازة لتوصيل الحرارة. وللاستفادة من الموصلية الحرارية الفائقة للمواد النانوية، تُستخدم ما تُسمى بالموائع النانوية بوصفها سوائل تبريد. والمائع النانوي هو مائع تُعلَّق فيه جسيمات ذات أحجام نانومترية في مائع أساسي مثل الماء أو الغليكول أو الزيت، حيث تُشكِّل محلولًا غروانيًا. ويمكن للموائع النانوية أن تحقق زيادة كبيرة في الموصلية الحرارية مقارنة بالسوائل الخالية من الجسيمات النانوية أو الجسيمات الأكبر حجمًا. وتؤثر مادة الجسيمات النانوية المشتتة وحجمها ولزوجتها وشحنتها السطحية واستقرارها في المائع تأثيرًا كبيرًا في الأداء الحراري للموائع النانوية. وتكتسب الموائع النانوية أهمية متزايدة بسرعة في تطبيقات نقل الحرارة، لأنها تُظهر أداءً فائقًا في نقل الحرارة مقارنة بالموائع الأساسية التقليدية.
يُعد التشتيت بالموجات فوق الصوتية تقنية عالية الكفاءة وموثوقة وراسخة صناعيًا لإنتاج موائع نانوية ذات قدرات عالية الأداء على نقل الحرارة.
- نسبة عالية بين مساحة السطح : الحجم لتحقيق معدلات أعلى بكثير لنقل الطاقة والكتلة
- كتلة منخفضة لتحقيق استقرار غرواني جيد جدًا
- قصور ذاتي منخفض، مما يقلل التآكل إلى الحد الأدنى
تمنح هذه الخصائص المرتبطة بالحجم النانوي الموائع النانوية موصليتها الحرارية الاستثنائية. ويُعد التشتيت بالموجات فوق الصوتية التقنية الأكثر كفاءة لإنتاج جسيمات نانوية ذات خصائص وظيفية وموائع نانوية.
موائع نانوية مُنتَجة بالموجات فوق الصوتية ذات موصلية حرارية فائقة
ثبت بالفعل أن العديد من المواد النانوية – مثل CNTs والسيليكا والغرافين والألومنيوم والفضة ونتريد البورون وغيرها الكثير – تزيد الموصلية الحرارية لموائع نقل الحرارة. وترد أدناه أمثلة لنتائج أبحاث حول موائع نانوية موصلة للحرارة جرى تحضيرها بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية.
إنتاج موائع نانوية قائمة على الألومنيوم باستخدام الموجات فوق الصوتية
أظهر Buonomo et al. (2015) تحسن الموصلية الحرارية لموائع Al2O3 النانوية التي جرى تحضيرها بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية.
ولتشتيت جسيمات Al2O3 النانوية بصورة متجانسة في الماء، استخدم الباحثون جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية ذي المسبار UP400S من Hielscher. وأدت عملية تفكيك تكتلات جسيمات الألومنيوم وتشتيتها بالموجات فوق الصوتية إلى حجم جسيمات يبلغ نحو 120 nm في جميع الموائع النانوية – بصرف النظر عن تركيز الجسيمات. وازدادت الموصلية الحرارية للموائع النانوية عند درجات الحرارة الأعلى مقارنة بالماء النقي. وعند تركيز جسيمات Al2O3 يبلغ 0.5% ودرجة حرارة الغرفة البالغة 25°C، تكون الزيادة في الموصلية الحرارية نحو 0.57% فقط، ولكن عند 65°C ترتفع هذه القيمة إلى نحو 8%. وعند تركيز حجمي يبلغ 4%، يرتفع التحسن من 7.6% إلى 14.4% مع ارتفاع درجة الحرارة من 25°C إلى 65°C.
[راجع Buonomo et al., 2015]
توزيع أحجام الجسيمات في موائع نتريد البورون النانوية القائمة على الماء بتركيزات مختلفة من نتريد البورون بعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية باستخدام UP400S: (a) 0.1% hBN، (b) 0.5% hBN، (c) 2% hBN
(الدراسة والرسوم البيانية: © Ilhan et al., 2016)
إنتاج موائع نانوية قائمة على نتريد البورون باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية
بحث Ilhan et al. (2016) الموصلية الحرارية للموائع النانوية القائمة على نتريد البورون السداسي (hBN). ولهذا الغرض، أُنتجت سلسلة من الموائع النانوية المستقرة والجيدة التشتيت، التي تحتوي على جسيمات hBN نانوية بمتوسط قطر يبلغ 70 nm، بطريقة من خطوتين تتضمن المعالجة بالموجات فوق الصوتية ومواد خافضة للتوتر السطحي مثل كبريتات دوديسيل الصوديوم (SDS) وبولي فينيل بيروليدون (PVP). ويُظهر المائع النانوي المكوَّن من hBN–الماء والمشتت بالموجات فوق الصوتية زيادة كبيرة في الموصلية الحرارية حتى عند تركيزات الجسيمات المخففة جدًا. وخفضت المعالجة باستخدام جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية ذي المسبار UP400S متوسط حجم جسيمات التجمعات إلى نطاق 40–60 nm. وخلص الباحثون إلى أن تجمعات نتريد البورون الكبيرة والكثيفة، التي لوحظت في الحالة الجافة غير المعالجة، تتفكك بفعل المعالجة بالموجات فوق الصوتية وإضافة المواد الخافضة للتوتر السطحي. وهذا يجعل التشتيت بالموجات فوق الصوتية طريقة فعّالة لتحضير موائع نانوية قائمة على الماء بتركيزات مختلفة من الجسيمات.
[راجع Ilhan et al., 2016]
صورة بالمجهر الإلكتروني النافذ الماسح (STEM) تُظهر مورفولوجيا مائع hBN نانوي قائم على إيثيلين غليكول (EG) ومشتت بالموجات فوق الصوتية، بتركيز حجمي للجسيمات يبلغ 0.5%.
(الدراسة والرسوم البيانية: © Ilhan et al., 2016)
“المعالجة بالموجات فوق الصوتية هي العملية الأكثر استخدامًا في الأدبيات لزيادة استقرار الموائع النانوية.” [Ilhan et al., 2016] وفي الإنتاج الصناعي أيضًا، تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية حاليًا التقنية الأكثر فعالية وموثوقية واقتصادية للحصول على موائع نانوية مستقرة على المدى الطويل وذات أداء متميز.
أجهزة معالجة صناعية بالموجات فوق الصوتية لإنتاج سوائل التبريد
مثبتة علميًا وراسخة صناعيًا – أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher لإنتاج الموائع النانوية
تُعد أجهزة التشتيت بالموجات فوق الصوتية ذات القص العالي آلات موثوقة للإنتاج المستمر لسوائل التبريد وموائع نقل الحرارة عالية الأداء. ويُعرف الخلط المدفوع بالموجات فوق الصوتية بكفاءته وموثوقيته – حتى في ظروف الخلط الصعبة.
تتيح معدات Hielscher Ultrasonics تحضير موائع نانوية غير سامة وغير خطرة، بل إن بعضها مناسب للاستخدام الغذائي. وفي الوقت نفسه، تتميز جميع أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا بكفاءة عالية وموثوقية وأمان في التشغيل ومتانة كبيرة جدًا. وقد صُممت للتشغيل على مدار 24/7، وحتى أجهزتنا المكتبية ومتوسطة الحجم قادرة على إنتاج أحجام كبيرة.
اقرأ المزيد عن إنتاج الموائع النانوية بالموجات فوق الصوتية، أو اتصل بنا الآن للحصول على استشارة معمقة وعرض مجاني لجهاز تشتيت بالموجات فوق الصوتية!
يقدم لك الجدول أدناه مؤشرًا على قدرة المعالجة التقريبية لأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لدينا:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500mL | 10 إلى 200mL/min | UP100H |
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 إلى 150L | 3 إلى 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أعلى | مجموعة من UIP16000 |
اتصل بنا! / اسألنا!
تُصنِّع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء لتطبيقات الخلط والتشتيت والاستحلاب والاستخلاص على النطاق المخبري والتجريبي والصناعي.
الأدبيات / المراجع
- B. Buonomo, O. Manca, L. Marinelli, S. Nardini (2015): Effect of temperature and sonication time on nanofluid thermal conductivity measurements by nano-flash method. Applied Thermal Engineering 2015.
- Beybin İlhan, Melike Kurt, Hakan Ertürk (2016): Experimental investigation of heat transfer enhancement and viscosity change of hBN nanofluids. Experimental Thermal and Fluid Science, Volume 77, 2016. 272-283.
- Oldenburg, S., Siekkinen, A., Darlington, T., Baldwin, R. (2007): Optimized Nanofluid Coolants for Spacecraft Thermal Control Systems. SAE Technical Paper, 2007.
- Mehdi Keyvani, Masoud Afrand, Davood Toghraie, Mahdi Reiszadeh (2018): An experimental study on the thermal conductivity of cerium oxide/ethylene glycol nanofluid: developing a new correlation. Journal of Molecular Liquids, Volume 266, 2018, 211-217.
حقائق جديرة بالمعرفة
لماذا تُعد الموائع النانوية مناسبة لتطبيقات التبريد ونقل الحرارة؟
تُعد الموائع النانوية فئة جديدة من سوائل التبريد، وهي تتكون من مائع أساسي (مثل الماء) يعمل بوصفه سائلًا حاملًا للجسيمات ذات الأحجام النانوية. ويمكن للجسيمات النانوية المصممة لغرض محدد (مثل CuO ذي الحجم النانوي، والألومينا ثاني أكسيد التيتانيوم، وأنابيب الكربون النانوية، والسيليكا، أو المعادن مثل النحاس، وقضبان الفضة النانوية) المشتتة في المائع الأساسي أن تعزز قدرة المائع النانوي الناتج على نقل الحرارة تعزيزًا كبيرًا. وهذا يجعل الموائع النانوية سوائل تبريد استثنائية عالية الأداء.
يتيح استخدام موائع نانوية مصنَّعة خصيصًا وتحتوي على جسيمات نانوية موصلة للحرارة تحقيق تحسينات كبيرة في نقل الحرارة وتبديدها؛ فعلى سبيل المثال، زادت قضبان الفضة النانوية ذات القطر 55±12 nm ومتوسط الطول 12.8 µm عند تركيز 0.5 vol.% الموصلية الحرارية للماء بنسبة 68%، وزاد تركيز 0.5 vol.% من قضبان الفضة النانوية الموصلية الحرارية لسائل تبريد قائم على إيثيلين غليكول بنسبة 98%. ويمكن لجسيمات الألومينا النانوية عند تركيز 0.1% أن تزيد الفيض الحراري الحرج للماء بنسبة تصل إلى 70%؛ إذ تُشكِّل الجسيمات سطحًا خشنًا مساميًا على الجسم المُبرَّد، مما يشجع تكوُّن فقاعات جديدة، ثم تساعد طبيعتها المحبة للماء على دفع هذه الفقاعات بعيدًا، مما يعيق تكوُّن طبقة البخار. ويتصرف المائع النانوي الذي يزيد تركيزه على 5% مثل الموائع غير النيوتونية. (راجع (Oldenburg et al., 2007)
يمكن أن تؤدي إضافة جسيمات نانوية معدنية إلى سوائل التبريد المستخدمة في أنظمة التحكم الحراري إلى زيادة كبيرة جدًا في الموصلية الحرارية للمائع الأساسي. وتُسمى هذه المواد المركبة من الجسيمات النانوية المعدنية والمائع بالموائع النانوية، ومن الممكن أن يؤدي استخدامها بوصفها سوائل تبريد إلى تقليل متطلبات الوزن والقدرة لأنظمة التحكم الحراري في المركبات الفضائية. وتعتمد الموصلية الحرارية للموائع النانوية على تركيز الجسيمات النانوية المكوِّنة لها وحجمها وشكلها وكيمياء سطحها وحالة تجمعها. وقد بُحثت تأثيرات تركيز تحميل الجسيمات النانوية ونسبة أبعادها على الموصلية الحرارية واللزوجة لسوائل التبريد القائمة على الماء وإيثيلين غليكول. وزادت قضبان الفضة النانوية ذات القطر 55 ± 12 nm ومتوسط الطول 12.8 ± 8.5 μm عند تركيز حجمي يبلغ 0.5% الموصلية الحرارية للماء بنسبة 68%. وازدادت الموصلية الحرارية لسائل تبريد قائم على إيثيلين غليكول بنسبة 98% عند تركيز تحميل حجمي لقضبان الفضة النانوية يبلغ 0.5%. وكان للقضبان النانوية الأطول تأثير أكبر على الموصلية الحرارية مقارنة بالقضبان النانوية الأقصر عند كثافة التحميل نفسها. ومع ذلك، زادت القضبان النانوية الأطول أيضًا لزوجة المائع الأساسي بدرجة أكبر من القضبان النانوية الأقصر.
(Oldenburg et al., 2007)
تُصنِّع Hielscher Ultrasonics مجانسات بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء بأحجام تتراوح من الحجم المخبري إلى الحجم الصناعي.