Chladicí kapaliny na bázi tepelně vodivých nanokapalin
Ultrazvukem syntetizované nanokapaliny jsou účinnými chladicími kapalinami a kapalinami pro výměníky tepla. Tepelně vodivé nanomateriály významně zvyšují přenos tepla a schopnost odvádět teplo. Sonikace je dobře zavedenou metodou při syntéze a funkcionalizaci tepelně vodivých nanočástic i při výrobě stabilních, vysoce výkonných nanokapalin pro chladicí aplikace.
Vliv nanokapalin na termohydraulický výkon
Tepelná vodivost materiálu je mírou jeho schopnosti vést teplo. U chladicích kapalin a teplonosných kapalin (označovaných také jako termální kapaliny nebo termální oleje) je žádoucí vysoká tepelná vodivost. Řada nanomateriálů nabízí vynikající tepelně vodivé vlastnosti. Aby bylo možné využít mimořádnou tepelnou vodivost nanomateriálů, používají se jako chladicí kapaliny tzv. nanokapaliny. Nanokapalina je kapalina, v níž jsou částice o velikosti v řádu nanometrů suspendovány v základní kapalině, jako je voda, glykol nebo olej, kde tvoří koloidní roztok. Nanokapaliny mohou vykazovat výrazné zvýšení tepelné vodivosti ve srovnání s kapalinami bez nanočástic nebo větších částic. Materiál, velikost, viskozita, povrchový náboj a stabilita kapaliny dispergovaných nanočástic významně ovlivňují tepelný výkon nanokapalin. Nanokapaliny rychle získávají na významu v aplikacích přenosu tepla, protože ve srovnání s konvenčními základními kapalinami vykazují vynikající výkon při přenosu tepla.
Ultrazvuková disperze je vysoce účinná, spolehlivá a průmyslově zavedená technika výroby nanokapalin s vysoce výkonnou schopností přenosu tepla.
- vysoký poměr povrchu : objemu pro výrazně vyšší rychlosti přenosu energie a hmoty
- nízká hmotnost pro velmi dobrou koloidní stabilitu
- nízká setrvačnost, která minimalizuje erozi
Tyto vlastnosti související s nanometrovou velikostí dávají nanokapalinám jejich výjimečnou tepelnou vodivost. Ultrazvuková disperze je nejúčinnější technikou výroby funkcionalizovaných nanočástic a nanokapalin.
Ultrazvukem vyráběné nanokapaliny s vynikající tepelnou vodivostí
U řady nanomateriálů – například CNT, oxidu křemičitého, grafenu, hliníku, stříbra, nitridu boru a mnoha dalších – již bylo prokázáno, že zvyšují tepelnou vodivost teplonosných kapalin. Níže naleznete příkladné výsledky výzkumu tepelně vodivých nanokapalin připravených pomocí ultrazvuku.
Výroba nanokapalin na bázi hliníku pomocí ultrazvuku
Buonomo et al. (2015) prokázali zlepšenou tepelnou vodivost nanokapalin Al2O3, které byly připraveny pomocí ultrazvuku.
K rovnoměrné disperzi nanočástic Al2O3 ve vodě použili výzkumníci sondový sonikátor Hielscher UP400S. Ultrazvukem deaglomerované a dispergované hliníkové částice dosáhly u všech nanokapalin velikosti částic přibližně 120 nm – nezávisle na koncentraci částic. Tepelná vodivost nanokapalin se ve srovnání s čistou vodou zvyšovala při vyšších teplotách. Při koncentraci částic Al2O3 0,5% a pokojové teplotě 25°C činí zvýšení tepelné vodivosti pouze asi 0,57%, avšak při 65°C tato hodnota vzroste přibližně na 8%. Při objemové koncentraci 4% roste zlepšení ze 7,6% na 14,4% se zvyšující se teplotou z 25°C na 65°C.
[srov. Buonomo et al., 2015]
Distribuce velikosti částic vodných nanokapalin nitridu boru s různou koncentrací nitridu boru po sonikaci přístrojem UP400S (a) 0,1% hBN, (b) 0,5% hBN, (c) 2% hBN
(Studie a grafy: © Ilhan et al., 2016)
Výroba nanokapalin na bázi nitridu boru pomocí sonikace
Ilhan et al. (2016) zkoumali tepelnou vodivost nanokapalin na bázi hexagonálního nitridu boru (hBN). Za tímto účelem je dvoustupňovou metodou zahrnující ultrazvukové zpracování a povrchově aktivní látky, jako je dodecylsulfát sodný (SDS) a polyvinylpyrrolidon (PVP), připravena řada dobře dispergovaných, stabilních nanokapalin obsahujících nanočástice hBN o středním průměru 70 nm. Ultrazvukem dispergovaná nanokapalina hBN–voda vykazuje výrazné zvýšení tepelné vodivosti i při velmi nízkých koncentracích částic. Sonikace sondovým sonikátorem UP400S snížila průměrnou velikost částic agregátů až do rozmezí 40–60 nm. Výzkumníci dospěli k závěru, že velké a husté agregáty nitridu boru, které byly pozorovány v neošetřeném suchém stavu, jsou rozbity ultrazvukovým zpracováním a přídavkem povrchově aktivní látky. Díky tomu je ultrazvuková disperze účinnou metodou přípravy vodných nanokapalin s různými koncentracemi částic.
[srov. Ilhan et al., 2016]
Snímek STEM zobrazující morfologii ultrazvukem dispergované nanokapaliny hBN na bázi ethylenglykolu (EG) s objemovou koncentrací částic 0,5%.
(Studie a grafy: © Ilhan et al., 2016)
„Ultrazvukové zpracování je v literatuře nejčastěji využívaným postupem ke zvýšení stability nanokapalin.“ [Ilhan et al., 2016] A také v průmyslové výrobě je sonikace v současnosti nejúčinnější, nejspolehlivější a nejhospodárnější technikou pro získání dlouhodobě stabilních nanokapalin s vynikajícím výkonem.
Průmyslové sonikátory pro výrobu chladicích kapalin
Vědecky ověřené, průmyslově zavedené – sonikátory Hielscher pro výrobu nanokapalin
Ultrazvukové dispergátory s vysokým smykem jsou spolehlivé stroje pro kontinuální výrobu vysoce výkonných chladicích a teplonosných kapalin. Míchání poháněné ultrazvukem je známé svou účinností a spolehlivostí – i za náročných podmínek míchání.
Zařízení Hielscher Ultrasonics umožňují připravovat netoxické, nenebezpečné, některé dokonce potravinářské nanokapaliny. Zároveň jsou všechny naše sonikátory vysoce účinné, spolehlivé, bezpečné v provozu a velmi robustní. Díky konstrukci pro nepřetržitý provoz 24/7 jsou i naše stolní a středně velké sonikátory schopny vyrábět pozoruhodné objemy.
Přečtěte si více o ultrazvukové výrobě nanokapalin nebo nás kontaktujte hned teď a získejte podrobnou konzultaci a bezplatnou nabídku ultrazvukového dispergátoru!
Následující tabulka uvádí orientační přibližnou zpracovatelskou kapacitu našich sonikátorů:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150L | 3 až 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | větší | klastr UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory pro míchání, dispergaci, emulgaci a extrakci v laboratorním, pilotním i 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 znát
Proč jsou nanokapaliny vhodné pro chladicí aplikace a aplikace přenosu tepla?
Novou třídu chladicích kapalin představují nanokapaliny, které se skládají ze základní kapaliny (např. vody), jež slouží jako nosná kapalina pro částice nanometrové velikosti. Účelově navržené nanočástice (např. nanometrový CuO, oxid hlinitý oxid titaničitý, uhlíkové nanotrubice, oxid křemičitý nebo kovy, jako je měď, stříbrné nanotyčinky) dispergované v základní kapalině mohou výrazně zvýšit schopnost přenosu tepla výsledné nanokapaliny. Díky tomu jsou nanokapaliny mimořádně výkonnými chladicími kapalinami.
Použití speciálně vyrobených nanokapalin obsahujících tepelně vodivé nanočástice umožňuje výrazné 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 chladicí kapaliny na bázi ethylenglykolu o 98%. Nanočástice oxidu hlinitého v koncentraci 0,1% mohou zvýšit kritický tepelný tok vody až o 70%; částice vytvářejí na chlazeném objektu drsný porézní povrch, který podporuje tvorbu nových bublin, a jejich hydrofilní povaha pak pomáhá bubliny odtlačovat, čímž brání tvorbě parní vrstvy. Nanokapalina s koncentrací vyšší než 5% se chová jako nenewtonovské kapaliny. (srov. (Oldenburg et al., 2007)
Přídavek kovových nanočástic do chladicích kapalin používaných v systémech tepelné regulace může dramaticky zvýšit tepelnou vodivost základní kapaliny. Takové kompozitní materiály z kovových nanočástic a kapaliny se označují jako nanokapaliny a jejich použití jako chladicích kapalin má potenciál snížit hmotnost a energetické nároky systémů tepelné regulace kosmických lodí. Tepelná vodivost nanokapalin závisí na koncentraci, velikosti, tvaru, povrchové chemii a stavu agregace jednotlivých nanočástic. Byl zkoumán vliv koncentrace plnění 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 v koncentraci 0,5% objemových zvýšily tepelnou vodivost vody o 68%. Tepelná vodivost chladicí kapaliny na bázi ethylenglykolu se zvýšila o 98% při koncentraci plnění stříbrnými nanotyčinkami 0,5% objemových. Delší nanotyčinky měly při stejné hustotě plnění větší vliv na tepelnou vodivost než kratší nanotyčinky. Delší nanotyčinky však také zvyšovaly viskozitu základní kapaliny ve větší míře než kratší nanotyčinky.
(Oldenburg et al., 2007)
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratorního až po průmyslové měřítko.