Chladicí kapaliny na bázi termovodivých nanofluidů
Ultrazvukem syntetizované nanofluidy jsou účinné chladicí kapaliny a kapaliny tepelného výměníku. Termovodivé nanomateriály výrazně zvyšují přenos tepla a schopnost odvodu tepla. Sonikace je dobře zavedena v syntéze a funkcionalizaci termovodivých nanočástic, jakož i ve výrobě stabilních vysoce výkonných nanofluidů pro chladicí aplikace.
Nanofluidní účinky na termohydraulický výkon
Tepelná vodivost materiálu je měřítkem jeho schopnosti vést teplo. Pro chladicí kapaliny a teplonosnou kapalinu (nazývanou také tepelná kapalina nebo termální olej) je požadována vysoká tepelná vodivost. Četné nanomateriály nabízejí skvělé tepelně vodivé vlastnosti. Aby bylo možné využít vynikající tepelné přípustnosti nanomateriálů, používají se jako chladicí kapaliny tzv. nanofluidy. Nanofluidy jsou tekutina, ve které jsou částice 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 tekutin dispergovaných nanočástic významně ovlivňují tepelný výkon nanofluidů. Nanofluidy rychle získávají na významu v aplikacích přenosu tepla, protože vykazují vynikající výkon přenosu tepla ve srovnání s konvenčními základními tekutinami.
Ultrazvuková disperze je vysoce účinná, spolehlivá a průmyslově zavedená technika pro výrobu nanofluidů s vysoce výkonnými kapacitami přenosu tepla.
UP400St, 400W výkonný ultrazvukový procesor pro výrobu nanofluidů s vynikající tepelnou vodivostí.
- 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 nanovelikostmi dávají nanofluidům jejich výjimečnou tepelnou vodivost. Ultrazvuková disperze je nejúčinnější technikou pro výrobu funkcionalizovaných nanočástic a nanofluidů.
Ultrazvukem vyráběné nanofluidy s vynikající tepelnou přípustností
Četné nanomateriály – jako jsou CNT, oxid křemičitý, grafen, hliník, stříbro, nitrid bóru a mnoho dalších – již bylo prokázáno, že zvyšují tepelnou přípustnost teplonosných kapalin. Níže naleznete příkladné výsledky výzkumu pro termovodivé nanofluidy připravené při ultrazvuku.
Výroba nanofluidů na bázi alumiunia ultrazvukem
Buonomo et al. (2015) prokázal zlepšenou tepelnou vodivost nanofluidů Al2O3, které byly připraveny za ultrazvuku.
Aby bylo možné rovnoměrně rozptýlit nanočástice Al2O3 do vody, vědci použili Hielscher sonda typu ultrasonicator UP400S. Ultrazvukem deaglomerované a dispergované hliníkové částice poskytly velikost 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 %. Při objemové koncentraci 4 % se zvýšení zvýší ze 7,6 % na 14,4 % s teplotou stoupající z 25 °C na 65 °C.
[srov. Buonomo et al., 2015]
Distribuce velikosti částic nanofluidů nitridu bóru na bázi vody 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 sonikace
Ilhan et al. (2016) zkoumali tepelnou vodivost nanofluidů na bázi hexagonálního nitridu boru (hBN). Za tímto účelem se vyrábí řada dobře rozptýlených, stabilních nanofluidů obsahujících nanočástice hBN se středním průměrem 70 nm dvoustupňovou metodou zahrnující ultrazvuku a povrchově aktivní látky, jako je dodecylsulfát sodný (SDS) a polyvinylpyrrolidon (PVP). Ultrazvukem rozptýlená nanotekutina hBN-voda vykazuje významné zvýšení tepelné vodivosti i pro velmi zředěné koncentrace částic. Sonikace s ultrazvukem typu sondy UP400S snížila průměrnou velikost částic agregátů až na rozsah 40–60 nm. Výzkumníci dospěli k závěru, že velké a husté agregáty nitridu boru, které byly pozorovány v neošetřeném suchém stavu, jsou rozbity ultrazvukem a přidáním povrchově aktivních látek. Díky tomu je ultrazvuková disperze účinnou metodou pro přípravu nanofluidů na bázi vody s různými koncentracemi částic.
[srov. Ilhan et al., 2016]
STEM obrázek ukazující morfologii ultrazvukem rozptýlené nanofluidy hBN na bázi ethylenglykolu (EG) s objemovou koncentrací částic 0,5%.
(Studie a grafy: © Ilhan et al., 2016)
“Ultrazvuku je nejpoužívanější 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 ultrasonicators pro výrobu chladicí kapaliny
Vědecky prokázané, průmyslově zavedené – Hielscher Ultrasonicators pro výrobu nanofluidů
Ultrazvukové vysokosmykové dispergátory jsou spolehlivé stroje pro nepřetržitou výrobu vysoce výkonných chladicích kapalin a kapalin pro přenos tepla. Ultrazvukem řízené míchání je známé svou účinností a spolehlivostí – I při náročných podmínkách míchání.
Hielscher Ultrazvukové zařízení umožňuje připravit netoxické, nenebezpečné, některé dokonce i potravinářské nanofluidy. Současně jsou všechny naše ultrasonicators vysoce účinné, spolehlivé, bezpečné a velmi robustní. Postaven pro provoz 24/7, dokonce i naše bench-top a středně velké ultrasonicators jsou schopny produkovat pozoruhodné objemy.
Přečtěte si více o ultrazvukové výrobě nanofluidů nebo nás kontaktujte právě teď, abyste získali hloubkovou konzultaci a bezplatný návrh ultrazvukového dispergátoru!
Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators:
| Hromadná dávka | průtok | Doporučené Devices |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
| 10 až 2000ml | 20 až 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 00,1 až 20L | 00,2 až 4 litry / min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10 l / min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| na | 10 až 100L / min | UIP16000 |
| na | větší | hrozen UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptej se nás!
Hielscher Ultrazvuk vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání aplikací, disperze, emulgaci a extrakce v laboratoři, 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 Worth Knowing
Proč jsou nanofluidy vhodné pro aplikace chlazení a přenosu tepla?
Novou třídou chladicích kapalin jsou nanofluidy, které se skládají ze základní tekutiny (např. vody), která působí jako nosná kapalina pro nanočástice. Účelové nanočástice (např. nano-velikosti CuO, oxid titaničitý oxidu hlinitého, uhlíkové nanotrubice, oxid křemičitý nebo kovy, jako je měď, stříbrné nanotyčinky) rozptýlené do základní tekutiny mohou významně zvýšit kapacitu přenosu tepla výsledné nanofluidy. Díky tomu jsou nanofluidy mimořádně vysoce výkonnými chladicími kapalinami.
Použití speciálně vyrobených nanofluidů obsahujících termovodivé nanočástice umožňuje významné zlepšení přenosu a rozptylu tepla; Např. stříbrné nanotyčinky o průměru 55±12 nm a průměrné délce 12,8 μm při 0,5 objemových % zvýšily tepelnou vodivost vody o 68 % a 0,5 % stříbrných nanotyčinek zvýšily tepelnou vodivost chladicí kapaliny na bázi ethylenglykolu o 98 %. Nanočástice oxidu hlinitého na 0,1% mohou zvýšit kritický tepelný tok vody až o 70%; Částice tvoří na ochlazeném objektu drsný porézní povrch, který podporuje tvorbu nových bublin a jejich hydrofilní povaha pak pomáhá je odtlačovat a brání tvorbě vrstvy páry. Nanofluida s koncentrací vyšší než 5% působí jako nenewtonské tekutiny. (srov. (Oldenburg et al., 2007)
Přidání kovových nanočástic do chladicích kapalin používaných v systémech tepelné regulace může dramaticky zvýšit tepelnou vodivost základní tekutiny. Takové kompozitní materiály z kovových nanočástic a kapalin jsou označovány jako nanofluidy a jejich použití jako chladicích kapalin má potenciál snížit požadavky na hmotnost a výkon systémů tepelné kontroly kosmických lodí. Tepelná vodivost nanofluidů je závislá na koncentraci, velikosti, tvaru, chemii povrchu a stavu agregace nanočástic, které jsou z nich obsaženy. Byly zkoumány účinky koncentrace zatížení nanočástic a poměr stran nanočástic na tepelnou vodivost a viskozitu chladidel 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 chladicí kapaliny na bázi ethylenglykolu byla zvýšena o 98% s koncentrací stříbrné nanotyčinky 0,5% objemu. 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 a kol., 2007)
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od Laboratoř na průmyslové velikosti.