Rashladna sredstva na bazi termoprovodnih nanofluida
Ultrazvučno sintetizovani nanofluidi su efikasne rashladne tečnosti i tečnosti za izmenjivanje toplote. Termokonduktivni nanomaterijali značajno povećavaju prijenos topline i kapacitet odvođenja topline. Sonikacija je dobro uspostavljena u sintezi i funkcionalizaciji termokonduktivnih nanočestica, kao i u proizvodnji stabilnih visokoučinkovitih nanofluida za primjene u hlađenju.
Nanofluidni efekti na termo-hidrauličke performanse
Toplotna provodljivost materijala je mjera njegove sposobnosti da provodi toplinu. Za rashladne tečnosti i fluid za prenos toplote (koji se nazivaju i termalni fluid ili termalno ulje), poželjna je visoka toplotna provodljivost. Brojni nanomaterijali nude odlična termo-provodljiva svojstva. Kako bi se iskoristila vrhunska toplinska provodljivost nanomaterijala, kao rashladne tekućine koriste se takozvani nanofluidi. Nanofluidi su tekućine u kojima su čestice nanometarske veličine suspendirane u osnovnoj tekućini poput vode, glikola ili ulja, gdje formiraju koloidni rastvor. Nanofluidi mogu značajno povećati toplotnu provodljivost u poređenju sa tečnostima bez nanočestica ili većih čestica. Materijal, veličina, viskozitet, površinski naboj i stabilnost fluida dispergovanih nanočestica značajno utiču na termičke performanse nanofluida. Nanofluidi brzo dobijaju na značaju u aplikacijama za prenos toplote jer pokazuju superiorne performanse prenosa toplote u poređenju sa konvencionalnim baznim fluidima.
Ultrazvučna disperzija je visoko efikasna, pouzdana i industrijski uspostavljena tehnika za proizvodnju nanofluida sa visokim kapacitetom prijenosa topline.
- visok odnos površina: zapremina za značajno veće brzine prenosa energije i mase
- mala masa za vrlo dobru koloidnu stabilnost
- niska inercija, što minimizira eroziju
Ove karakteristike povezane sa nano-veličinom daju nanofluidima njihovu izuzetnu toplotnu provodljivost. Ultrazvučna disperzija je najefikasnija tehnika za proizvodnju funkcionaliziranih nanočestica i nanofluida.
Ultrazvučno proizvedeni nanofluidi sa superiornom toplotnom provodljivošću
Brojni nanomaterijali – kao što su CNT, silicijum dioksid, grafen, aluminijum, srebro, bor nitrid i mnogi drugi – već je dokazano da povećavaju toplotnu provodljivost fluida za prenos toplote. U nastavku možete pronaći uzorne rezultate istraživanja za termo-provodljive nanofluide pripremljene ultrazvučnom obradom.
Proizvodnja nanofluida na bazi aluminijuma ultrazvukom
Buonomo et al. (2015) demonstrirali su poboljšanu toplinsku provodljivost Al2O3 nanofluida, koji su pripremljeni ultrazvučnom obradom.
Kako bi nanočestice Al2O3 ravnomjerno raspršili u vodu, istraživači su koristili ultrazvučni uređaj Hielscher tipa sonde UP400S. Ultrazvučno deaglomerirane i dispergovane aluminijske čestice daju se u veličini čestica od cca. 120 nm za sve nanofluide – nezavisno od koncentracije čestica. Toplotna provodljivost nanofluida se povećavala na višim temperaturama u poređenju sa čistom vodom. Sa koncentracijom čestica Al2O3 od 0,5% na sobnoj temperaturi od 25°C povećanje toplotne provodljivosti je samo oko 0,57%, ali na 65°C ova vrijednost se povećava na oko 8%. Za zapreminsku koncentraciju od 4% povećanje ide od 7,6% do 14,4% sa porastom temperature sa 25°C na 65°C.
[usp. Buonomo et al., 2015.]
Raspodjela veličine čestica nanofluida bor nitrida na bazi vode s različitim koncentracijama bor nitrida nakon ultrazvučne obrade sa UP400S (a) 0,1% hBN, (b) 0,5% hBN, (c) 2% hBN
(Studija i grafikoni: © Ilhan et al., 2016)
Proizvodnja nanofluida na bazi bor nitrida pomoću ultrazvuka
Ilhan et al. (2016) istraživali su toplinsku provodljivost nanofluida na bazi heksagonalnog bor nitrida (hBN). U tu svrhu se proizvodi niz dobro dispergiranih, stabilnih nanofluida, koji sadrže hBN nanočestice srednjeg promjera 70 nm, metodom u dva koraka koja uključuje ultrazvučnu obradu i površinski aktivne tvari kao što su natrijum dodecil sulfat (SDS) i polivinil pirolidon (PVP). Ultrazvučno dispergovani nanofluid hBN–voda pokazuje značajno povećanje toplotne provodljivosti čak i za vrlo razrijeđene koncentracije čestica. Obrada ultrazvukom tipa sonde UP400S smanjila je prosječnu veličinu čestica agregata na raspon od 40–60 nm. Istraživači zaključuju da su veliki i gusti agregati bor nitrida, koji su uočeni u neobrađenom suhom stanju, razbijeni postupkom ultrazvučne obrade i dodatkom surfaktanta. Ovo čini ultrazvučnu disperziju efikasnom metodom za pripremu nanofluida na bazi vode sa različitim koncentracijama čestica.
[usp. Ilhan et al., 2016]
STEM slika koja prikazuje morfologiju ultrazvučno dispergovanog hBN nanofluida na bazi etilen glikola (EG) sa koncentracijom zapremine čestica od 0,5%.
(Studija i grafikoni: © Ilhan et al., 2016)
“Ultrazvučna obrada je najšire korišteni proces u literaturi za povećanje stabilnosti nanofluida.” [Ilhan et al., 2016] Takođe u industrijskoj proizvodnji, ultrazvuk je danas najefikasnija, najpouzdanija i najekonomičnija tehnika za dobijanje dugoročno stabilnih nanofluida izvanrednih performansi.
Industrijski ultrasonikatori za proizvodnju rashladne tečnosti
Naučno dokazano, industrijski utemeljeno – Hielscher Ultrasonicatori za proizvodnju nanofluida
Ultrazvučni disperzatori sa visokim smicanjem su pouzdane mašine za kontinuiranu proizvodnju rashladnih tečnosti i fluida za prenos toplote visokih performansi. Ultrazvučno vođeno mešanje poznato je po svojoj efikasnosti i pouzdanosti – čak i kada se primenjuju zahtevni uslovi mešanja.
Hielscher Ultrasonics oprema omogućuje pripremu netoksičnih, neopasnih, a neke čak i prehrambenih nanofluida. Istovremeno, svi naši ultrasonikatori su visoko efikasni, pouzdani, sigurni za rad i vrlo robusni. Napravljeni za rad 24 sata dnevno, 7 dana u nedelji, čak i naši stoni i ultrazvučni aparati srednje veličine su u stanju da proizvedu izuzetne količine.
Pročitajte više o ultrazvučnoj proizvodnji nanofluida ili nas kontaktirajte odmah kako biste dobili detaljne konzultacije i besplatan prijedlog za ultrazvučni disperzer!
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| N / A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| N / A | veći | klaster of UIP16000 |
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi za primjene miješanja, disperzije, emulgiranja i ekstrakcije u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
Literatura / Reference
- 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.
Činjenice koje vrijedi znati
Zašto su nanofluidi dobri za aplikacije za hlađenje i prijenos topline?
Nova klasa rashladnih tečnosti su nanofluidi koji se sastoje od baznog fluida (npr. vode), koji deluje kao tečnost nosača za čestice nano veličine. Namenski dizajnirane nanočestice (npr. CuO nano veličine, aluminij titanijum dioksid, ugljenične nanocevi, silicijum dioksid ili metali kao što su bakar, srebrne nanošipke) dispergovane u osnovnoj tečnosti mogu značajno povećati kapacitet prenosa toplote rezultirajućeg nanofluida. Ovo čini nanofluide izvanrednim rashladnim tečnostima visokih performansi.
Korištenje posebno proizvedenih nanofluida koji sadrže termo-provodljive nanočestice omogućavaju značajna poboljšanja u prijenosu i disipaciji topline; npr. srebrne nanošipke prečnika 55±12 nm i prosječne dužine 12,8 µm pri 0,5 vol.% povećale su toplotnu provodljivost vode za 68%, a 0,5 vol.% srebrnih nanošipka povećalo je toplotnu provodljivost rashladnog sredstva na bazi etilen glikola za 98%. Nanočestice glinice od 0,1% mogu povećati kritični toplotni tok vode za čak 70%; čestice formiraju hrapavu poroznu površinu na ohlađenom predmetu, što podstiče stvaranje novih mjehurića, a njihova hidrofilna priroda tada pomaže u njihovom odgurivanju, ometajući stvaranje sloja pare. Nanofluid s koncentracijom većom od 5% djeluje kao nenjutnovske tekućine. (usp. (Oldenburg et al., 2007)
Dodavanje metalnih nanočestica rashladnim tečnostima koje se koriste u sistemima termičke kontrole može dramatično povećati toplotnu provodljivost baznog fluida. Takvi kompozitni materijali metalne nanočestice-tečnost nazivaju se nanofluidima i njihova upotreba kao rashladnih tečnosti ima potencijal da smanji zahtjeve za težinom i snagom za sisteme termalne kontrole svemirskih letjelica. Toplotna provodljivost nanofluida ovisi o koncentraciji, veličini, obliku, hemiji površine i stanju agregacije sastavnih nanočestica. Ispitivani su efekti koncentracije opterećenja nanočestica i omjera nanočestica na toplinsku provodljivost i viskozitet rashladnih sredstava na bazi vode i etilen glikola. Srebrne nanošipke prečnika 55 ± 12 nm i prosečne dužine 12,8 ± 8,5 μm u koncentraciji od 0,5% zapremine povećavaju toplotnu provodljivost vode za 68%. Toplotna provodljivost rashladnog sredstva na bazi etilen glikola povećana je za 98% sa koncentracijom opterećenja nanoštapa srebra od 0,5% zapremine. Duže nanošipke su imale veći uticaj na toplotnu provodljivost od kraćih nanošipova pri istoj gustini opterećenja. Međutim, duži nanošipci također povećavaju viskozitet bazne tekućine u većoj mjeri nego kraći nanošipci.
(Oldenburg et al., 2007.)
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi lab to industrijska veličina.