Kølemidler baseret på termoledende nanofluider
Ultralydsyntetiserede nanofluider er effektive kølemidler og varmevekslervæsker. Termoledende nanomaterialer øger varmeoverførslen og varmeafledningskapaciteten betydeligt. Sonikering er veletableret i syntese og funktionalisering af termoledende nanopartikler samt produktion af stabile højtydende nanofluider til køleapplikationer.
Nanofluidiske effekter på termohydraulisk ydeevne
Et materiales varmeledningsevne er et mål for dets evne til at lede varme. For kølemidler og varmeoverførselsvæske (også kaldet termisk væske eller termisk olie) ønskes en høj varmeledningsevne. Talrige nanomaterialer har gode termoledende egenskaber. For at udnytte nanomaterialers overlegne termiske befordrende egenskaber anvendes såkaldte nanofluider som kølevæsker. En nanofluid er en væske, hvor partikler på nanometerstørrelse suspenderes i basisvæsken som vand, glykol eller olie, hvor de danner en kolloid opløsning. Nanofluider kan betydeligt øges i varmeledningsevne sammenlignet med væsker uden nanopartikler eller større partikler. Materiale, størrelse, viskositet, overfladeladning og væskestabilitet af de dispergerede nanopartikler påvirker nanofluidernes termiske ydeevne betydeligt. Nanofluider får hurtigt betydning i varmeoverførselsapplikationer, da de viser overlegen varmeoverførselsydelse sammenlignet med konventionelle basisvæsker.
Ultralydsdispersion er en yderst effektiv, pålidelig og industrielt etableret teknik til at producere nanofluider med højtydende varmeoverførselskapacitet.
UP400St, en 400W kraftfuld ultralydsprocessor til fremstilling af nanofluider med overlegen varmeledningsevne.
- et højt overflade: volumenforhold for betydeligt højere energi- og masseoverførselshastigheder
- lav masse for meget god kolloid stabilitet
- lav inerti, hvilket minimerer erosion
Disse nano-størrelse relaterede funktioner giver nanofluider deres ekstraordinære varmeledningsevne. Ultralyd dispersion er den mest effektive teknik til at producere funktionaliserede nanopartikler og nanofluider.
Ultralyd producerede nanofluider med overlegen termisk befordrende evne
Talrige nanomaterialer – såsom CNT'er, silica, grafen, aluminium, sølv, bornitrid og mange andre – har allerede vist sig at øge varmeoverførselsvæskernes termiske befordrende virkning. Nedenfor kan du finde eksemplariske forskningsresultater for termoledende nanofluider fremstillet under ultralydbehandling.
Alumiunium-baseret nanofluidproduktion med ultralyd
Buonomo et al. (2015) demonstrerede den forbedrede varmeledningsevne af Al2O3 nanofluider, som blev fremstillet under ultralydbehandling.
For at sprede Al2O3 nanopartikler ensartet i vand brugte forskerne Hielscher sonde-type ultralydator UP400S. Ultralydsdeagglomererede og dispergerede aluminiumspartikler gav i en partikelstørrelse på ca. 120 nm for alle nanofluider – uafhængigt af partikelkoncentrationen. Nanofluidernes varmeledningsevne steg ved højere temperaturer sammenlignet med rent vand. Med 0,5% Al2O3 partikelkoncentration ved stuetemperatur på 25 °C er stigningen i varmeledningsevne kun ca. 0,57%, men ved 65 °C stiger denne værdi til ca. 8%. For volumenkoncentration på 4% går forbedringen fra 7,6% til 14,4% med temperaturstigning fra 25 ° C til 65 ° C.
[jf. Buonomo et al., 2015]
Partikelstørrelsesfordeling af vandbaserede bornitrid nanofluider med forskellige bornitridkoncentrationer efter ultralydbehandling med UP400S (a) 0,1% hBN, (b) 0,5% hBN, (c) 2% hBN
(Undersøgelse og grafer: © Ilhan et al., 2016)
Bornitridbaseret nanofluidproduktion ved hjælp af sonikering
Ilhan et al. (2016) undersøgte varmeledningsevnen af sekskantet bornitrid (hBN) baserede nanofluider. Til dette formål fremstilles en række godt dispergerede, stabile nanofluider, der indeholder hBN-nanopartikler med en gennemsnitlig diameter på 70 nm, med en totrinsmetode, der involverer ultralydbehandling og overfladeaktive stoffer såsom natriumdodecylsulfat (SDS) og polyvinylpyrrolidon (PVP). Den ultralyd dispergerede hBN-vand nanofluid viser signifikant termisk ledningsevne stigning selv for meget fortyndede partikelkoncentrationer. Sonikering med sonde-type ultralydsapparat UP400S reducerede den gennemsnitlige partikelstørrelse af aggregater ned til 40-60 nm rækkevidde. Forskerne konkluderer, at store og tætte bornitridaggregater, som blev observeret i ubehandlet tør tilstand, brydes med ultralydbehandlingsproces og overfladeaktivt stoftilsætning. Dette gør ultralydsdispersion til en effektiv metode til fremstilling af vandbaserede nanofluider med forskellige partikelkoncentrationer.
[jf. Ilhan et al., 2016]
STEM-billede, der viser morfologi af en ultralyddispergeret en ethylenglycol (EG) -baseret hBN nanofluid med 0,5% partikelvolumenkoncentration.
(Undersøgelse og grafer: © Ilhan et al., 2016)
“Ultralydbehandling er den mest anvendte proces i litteraturen for at øge stabiliteten af nanofluider.” [Ilhan et al., 2016] Og også i industriel produktion er sonikering i dag den mest effektive, pålidelige og økonomiske teknik til at opnå langsigtede stabile nanofluider med fremragende ydeevne.
Industrielle ultralydapparater til kølevæskeproduktion
Videnskabeligt bevist, industrielt etableret – Hielscher ultralydapparater til nanofluid produktion
Ultralydsdispergeringsmidler med høj forskydning er pålidelige maskiner til kontinuerlig produktion af højtydende kølemidler og varmeoverførselsvæsker. Ultralyddrevet blanding er kendt for sin effektivitet og pålidelighed – selv når krævende blandingsbetingelser gælder.
Hielscher Ultrasonics udstyr gør det muligt at forberede ikke-giftige, ikke-farlige, nogle endda fødevarekvalitet nanofluider. Samtidig er alle vores ultralydapparater meget effektive, pålidelige, sikre at betjene og meget robuste. Bygget til 24/7 drift, selv vores bench-top og mellemstore ultralydapparater er i stand til at producere bemærkelsesværdige mængder.
Læs mere om ultralydsproduktion af nanofluider eller kontakt os lige nu for at få en grundig konsultation og et gratis forslag til en ultralydsdisperger!
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater:
| Batch Volumen | Strømningshastighed | Anbefalede enheder |
|---|---|---|
| 1 til 500 ml | 10 til 200 ml / min | UP100H |
| 10 til 2000 ml | 20 til 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 til 20L | 0.2 til 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 til 100 l | 2 til 10 l / min | UIP4000hdT |
| 15 til 150L | 3 til 15 liter/min | UIP6000hdT |
| na | 10 til 100 l / min | UIP16000 |
| na | større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg Os!
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydhomogenisatorer til blanding af applikationer, dispersion, emulgering og udvinding på laboratorium, pilot og industriel skala.
Litteratur / Referencer
- 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 Værd at vide
Hvorfor er nanofluider gode til køle- og varmeoverførselsapplikationer?
En ny klasse af kølemidler er nanofluider, der består af en basevæske (f.eks. Vand), der fungerer som bærevæske for partikler i nanostørrelse. Specialdesignede nanopartikler (f.eks. CuO i nanostørrelse, aluminiumoxidtitandioxid, kulstofnanorør, silica eller metaller såsom kobber, sølvnanoroder) spredt i basisvæsken kan forbedre varmeoverførselskapaciteten for den resulterende nanofluid betydeligt. Dette gør nanofluider til ekstraordinære højtydende kølevæsker.
Brug af specielt fremstillede nanofluider indeholdende termoledende nanopartikler giver mulighed for betydelige forbedringer i varmeoverførsel og spredning; F.eks. Sølvnanoroder med en diameter på 55±12 nm og en gennemsnitlig længde på 12,8 μm ved 0,5 vol.% øgede vandets varmeledningsevne med 68%, og 0,5 vol.% af sølvnanoroder øgede varmeledningsevnen for ethylenglycolbaseret kølemiddel med 98%. Aluminiumoxid nanopartikler på 0,1% kan øge den kritiske varmestrøm af vand med så meget som 70%; Partiklerne danner ru porøs overflade på det afkølede objekt, hvilket tilskynder til dannelse af nye bobler, og deres hydrofile natur hjælper derefter med at skubbe dem væk og hindrer dannelsen af damplaget. Nanofluid med koncentrationen mere end 5% virker som ikke-newtonske væsker. (jf. (Oldenburg et al., 2007)
Tilsætning af metalnanopartikler til kølemidler, der anvendes i termiske styresystemer, kan dramatisk øge basisvæskens varmeledningsevne. Sådanne metal nanopartikel-væske kompositmaterialer kaldes nanofluider, og deres anvendelse som kølemidler har potentialet til at reducere vægt- og effektkravene til rumfartøjers termiske kontrolsystemer. Nanofluidernes varmeledningsevne er afhængig af koncentrationen, størrelsen, formen, overfladekemien og aggregeringstilstanden for de bestanddele, der indgår i nanopartiklerne. Virkningerne af nanopartikelbelastningskoncentrationen og nanopartiklernes billedformat på varmeledningsevnen og viskositeten af vand- og ethylenglycolbaserede kølemidler blev undersøgt. Sølv nanorods med en diameter på 55 ± 12 nm og en gennemsnitlig længde på 12,8 ± 8,5 μm i en koncentration på 0,5 volumenprocent øgede vandets varmeledningsevne med 68%. Den termiske ledningsevne af et ethylenglycolbaseret kølemiddel blev øget med 98% med en sølv nanorod belastningskoncentration på 0,5% i volumen. Længere nanoroder havde en større effekt på varmeledningsevnen end kortere nanoroder ved samme belastningstæthed. Imidlertid øgede længere nanoroder også viskositeten af basisvæsken i større grad end kortere nanoroder.
(Oldenburg et al., 2007)
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralyd homogenisatorer fra Lab til industriel størrelse.