Chladicí kapaliny na bázi termovodivých nanokapalin
Ultrazvukem syntetizované nanofluidy jsou účinnými chladicími kapalinami a kapalinami výměníku tepla. Termovodivé nanomateriály výrazně zvyšují přenos tepla a schopnost odvádět teplo. Sonikace je dobře zavedená v syntéze a funkcionalizaci termovodivých nanočástic, stejně jako při výrobě stabilních vysoce výkonných nanokapalin pro chladicí aplikace.
Nanofluidní účinky na termohydraulický výkon
Tepelná vodivost materiálu je měřítkem jeho schopnosti vést teplo. U chladicích kapalin a teplonosné kapaliny (nazývané také tepelná kapalina nebo termální olej) je požadována vysoká tepelná vodivost. Četné nanomateriály nabízejí skvělé tepelně vodivé vlastnosti. Aby se využila vynikající tepelná vodivost nanomateriálů, používají se jako chladicí kapaliny tzv. nanofluidy. Nanofluidy jsou kapalina, ve které jsou částice o velikosti nanometrů suspendovány v základní tekutině, jako je voda, glykol nebo olej, kde tvoří koloidní roztok. Nanofluidy mohou výrazně zvýšit tepelnou vodivost ve srovnání s kapalinami bez nanočástic nebo větších částic. Materiál, velikost, viskozita, povrchový náboj a stabilita dispergovaných nanočástic významně ovlivňují tepelný výkon nanokapalin. Nanofluidy rychle získávají na významu v aplikacích přenosu tepla, protože vykazují vynikající výkon přenosu tepla ve srovnání s konvenčními základovými kapalinami.
Ultrazvuková disperze je vysoce účinná, spolehlivá a průmyslově zavedená technika výroby nanofluidů s vysoce výkonnými kapacitami přenosu tepla.
- Vysoký poměr povrchu : objem pro výrazně vyšší přenosové rychlosti energie a hmoty
- nízká hmotnost pro velmi dobrou koloidní stabilitu
- nízká setrvačnost, která minimalizuje erozi
Tyto vlastnosti související s nanovelikostí dávají nanofluidům jejich výjimečnou tepelnou vodivost. Ultrazvuková disperze je nejúčinnější technikou výroby funkcionalizovaných nanočástic a nanofluidů.
Ultrazvukem vyráběné nanofluidy s vynikající tepelnou vodivostí
Četné nanomateriály – jako jsou CNT, oxid křemičitý, grafen, hliník, stříbro, nitrid bóru a mnoho dalších – již bylo prokázáno, že zvyšují tepelnou vodivost teplonosných kapalin. Níže naleznete příkladné výsledky výzkumu tepelně vodivých nanofluidů připravených ultrazvukem.
Výroba nanofluidů na bázi alumiunia pomocí ultrazvuku
Buonomo et al. (2015) prokázal zlepšenou tepelnou vodivost nanofluidů Al2O3, které byly připraveny ultrazvukem.
Aby bylo možné rovnoměrně dispergovat nanočástice Al2O3 do vody, vědci použili ultrazvukový přístroj typu sondy Hielscher UP400S. Ultrazvukem deaglomerované a dispergované částice hliníku získané ve velikosti částic cca. 120 nm pro všechny nanofluidy – nezávisle na koncentraci částic. Tepelná vodivost nanofluidů se zvyšovala při vyšších teplotách ve srovnání s čistou vodou. Při koncentraci částic Al2O3 0,5 % při pokojové teplotě 25 °C je zvýšení tepelné vodivosti pouze asi 0,57 %, ale při 65 °C se tato hodnota zvyšuje na přibližně 8 %. Pro objemovou koncentraci 4 % se zvýšení zvýší ze 7,6 % na 14,4 % s nárůstem teploty z 25 °C na 65 °C.
[srov. Buonomo et al., 2015]
Distribuce velikosti částic nanofluidů nitridu boru na vodní bázi s různou koncentrací nitridu boru po ultrazvuku s UP400S (a) 0,1% hBN, (b) 0,5% hBN, (c) 2% hBN
(Studie a grafy: © Ilhan et al., 2016)
Výroba nanofluidů na bázi nitridu boru pomocí ultrazvuku
Ilhan et al. (2016) zkoumali tepelnou vodivost nanofluidů na bázi hexagonálního nitridu boru (hBN). Za tímto účelem se vyrábí řada dobře dispergovaných, stabilních nanofluidů obsahujících nanočástice hBN o středním průměru 70 nm dvoustupňovou metodou zahrnující ultrazvuku a povrchově aktivní látky, jako je dodecylsulfát sodný (SDS) a polyvinylpyrrolidon (PVP). Ultrazvukem dispergovaný nanofluid hBN-voda vykazuje významné zvýšení tepelné vodivosti i při koncentracích velmi zředěných částic. Sonikace s ultrazvukovým přístrojem typu sondy UP400S snížila průměrnou velikost částic agregátů až na 40–60 nm. Výzkumníci dospěli k závěru, že velké a husté agregáty nitridu boru, které byly pozorovány v neošetřeném suchém stavu, jsou rozbity procesem ultrazvuku a přidáním povrchově aktivní látky. Díky tomu je ultrazvuková disperze efektivní metodou pro přípravu nanofluidů na bázi vody s různými koncentracemi částic.
[srov. Ilhan et al., 2016]
Snímek STEM znázorňující morfologii ultrazvukem dispergovaného nanofluidu hBN na bázi ethylenglykolu (EG) s 0,5% objemovou koncentrací částic.
(Studie a grafy: © Ilhan et al., 2016)
“Ultrazvuku je nejrozšířenější proces v literatuře ke zvýšení stability nanofluidů.” [Ilhan et al., 2016] A také v průmyslové výrobě je sonikace v dnešní době nejúčinnější, nejspolehlivější a nejekonomičtější technikou pro získání dlouhodobě stabilních nanofluidů s vynikajícím výkonem.
Průmyslové ultrazvuky pro výrobu chladicí kapaliny
Vědecky ověřené, průmyslově etablované – Hielscher Ultrasonicators pro výrobu nanofluidů
Ultrazvukové dispergátory s vysokým smykovým třením jsou spolehlivé stroje pro kontinuální výrobu vysoce výkonných chladicích kapalin a teplonosných kapalin. Ultrazvukem řízené míchání je známé svou účinností a spolehlivostí – A to i v případě, že platí náročné podmínky míchání.
Hielscher Ultrazvukové zařízení umožňuje připravit netoxické, nezávadné, některé dokonce potravinářské nanotekutiny. Současně jsou všechny naše ultrasonicators vysoce účinné, spolehlivé, bezpečné pro provoz a velmi robustní. Postaveno pro provoz 24/7, dokonce i naše stolní a středně velké ultrasonicators jsou schopny produkovat pozoruhodné objemy.
Přečtěte si více o ultrazvukové výrobě nanofluidů nebo nás kontaktujte hned teď a získejte hloubkovou konzultaci a bezplatný návrh ultrazvukového dispergátoru!
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání aplikací, disperze, emulgaci a extrakci v laboratorním, pilotním a průmyslovém měřítku.
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.
Fakta, která stojí za to vědět
Proč jsou nanofluidy dobré pro chlazení a přenos tepla?
Novou třídou chladicích kapalin jsou nanokapaliny, které se skládají ze základní kapaliny (např. vody), která působí jako nosná kapalina pro částice o velikosti nanočástic. Účelově navržené nanočástice (např. nanočástice CuO, oxid titaničitý o velikosti oxidu hlinitého, uhlíkové nanotrubice, oxid křemičitý nebo kovy jako měď, stříbrné nanotyčinky) dispergované do základní tekutiny mohou výrazně zvýšit kapacitu přenosu tepla výsledného nanofluidu. Díky tomu jsou nanofluidy mimořádně výkonnými chladicími kapalinami.
Použití speciálně vyrobených nanofluidů obsahujících tepelně vodivé nanočástice umožňuje významné zlepšení přenosu a odvodu tepla; Např. stříbrné nanotyčinky o průměru 55±12 nm a průměrné délce 12,8 μm při 0,5 % obj. zvýšily tepelnou vodivost vody o 68 % a 0,5 obj. % stříbrných nanotyčinek zvýšilo tepelnou vodivost chladiva na bázi ethylenglykolu o 98 %. Nanočástice oxidu hlinitého v množství 0,1 % mohou zvýšit kritický tepelný tok vody až o 70 %; Částice tvoří na chlazeném předmětu drsný porézní povrch, což podporuje tvorbu nových bublin, a jejich hydrofilní povaha je pak pomáhá odtlačovat pryč a bránit tvorbě parní vrstvy. Nanofluid s koncentrací vyšší než 5 % se chová jako nenewtonské tekutiny. (srov. (Oldenburg et al., 2007)
Přidání kovových nanočástic do chladicích kapalin používaných v systémech řízení teploty může dramaticky zvýšit tepelnou vodivost základní kapaliny. Takové kompozitní materiály z kovových nanočástic a tekutin se označují jako nanofluidy a jejich použití jako chladicích kapalin má potenciál snížit hmotnost a požadavky na výkon systémů řízení teploty kosmických lodí. Tepelná vodivost nanofluidů je závislá na koncentraci, velikosti, tvaru, chemickém složení povrchu a stavu agregace nanočástic, ze kterých se nanočástice skládají. Byly zkoumány účinky koncentrace zatížení nanočásticemi a poměru stran nanočástic na tepelnou vodivost a viskozitu chladicích kapalin na bázi vody a ethylenglykolu. Stříbrné nanotyčinky o průměru 55 ± 12 nm a průměrné délce 12,8 ± 8,5 μm při koncentraci 0,5 % objemových zvýšily tepelnou vodivost vody o 68 %. Tepelná vodivost chladicího prostředku na bázi ethylenglykolu byla zvýšena o 98 % při koncentraci nanotyčinek stříbra 0,5 % objemových. Delší nanotyčinky měly větší vliv na tepelnou vodivost než kratší nanotyčinky při stejné hustotě zatížení. Delší nanotyčinky však také zvýšily viskozitu základní tekutiny ve větší míře než kratší nanotyčinky.
(Oldenburg et al., 2007)
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k průmyslová velikost.