Kølemidler baseret på termoledende nanovæsker
Ultralydsyntetiserede nanovæsker er effektive kølemidler og varmevekslervæsker. Termoledende nanomaterialer øger varmeoverførsels- og varmeafledningskapaciteten betydeligt. Sonikering er veletableret i syntese og funktionalisering af termoledende nanopartikler samt produktion af stabile højtydende nanovæsker til køleapplikationer.
Nanofluidiske effekter på termohydraulisk ydeevne
Et materiales varmeledningsevne er et mål for dets evne til at lede varme. Til kølemidler og varmeoverførselsvæske (også kaldet termisk væske eller termisk olie) ønskes en høj varmeledningsevne. Talrige nanomaterialer tilbyder store varmeledende egenskaber. For at udnytte nanomaterialers overlegne termiske befordrende egenskaber anvendes såkaldte nanofluider som kølevæsker. En nanofluids er en væske, hvor partikler på nanometerstørrelse suspenderes i basisvæsken som vand, glykol eller olie, hvor de danner en kolloid opløsning. Nanofluider kan øge varmeledningsevnen betydeligt sammenlignet med væsker uden nanopartikler eller større partikler. Materiale, størrelse, viskositet, overfladeladning og væskestabilitet af de dispergerede nanopartikler påvirker nanofluiders termiske ydeevne betydeligt. Nanofluider får hurtigt betydning i varmeoverførselsapplikationer, da de viser overlegen varmeoverførselsydelse sammenlignet med konventionelle basevæsker.
Ultralydsdispersion er en yderst effektiv, pålidelig og industrielt etableret teknik til fremstilling af nanovæsker med højtydende varmeoverførselskapacitet.
UP400St, en 400W kraftfuld ultralydsprocessor til produktion 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 nanostørrelsesrelaterede funktioner giver nanofluider deres enestående varmeledningsevne. Ultralydsdispersion er den mest effektive teknik til fremstilling af funktionaliserede nanopartikler og nanofluider.
Ultralydsproducerede nanovæsker med overlegen termisk befordrende evne
Talrige nanomaterialer – såsom CNT'er, silica, grafen, aluminium, sølv, bornitrid og mange andre – allerede har vist sig at øge varmeoverførselsvæskernes termiske befordrende egenskaber. Nedenfor kan du finde eksempler på forskningsresultater for termoledende nanovæsker 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 ultralydsapparat UP400S. Ultralydsdeagglomererede og dispergerede aluminiumpartikler givet i en partikelstørrelse på ca. 120 nm for alle nanofluider – uafhængigt af partikelkoncentrationen. Nanofluiders 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 %. Ved 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 nanovæskeproduktion ved hjælp af sonikering
Ilhan et al. (2016) undersøgte den termiske ledningsevne af hexagonal 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 to-trins metode, der involverer ultralydbehandling og overfladeaktive stoffer såsom natriumdodecylsulfat (SDS) og polyvinylpyrrolidon (PVP). Den ultralydsdispergerede hBN-vand nanofluid viser en betydelig stigning i varmeledningsevnen, 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 ultralydsbehandling og overfladeaktiv tilsætning. Dette gør ultralydsdispersion til en effektiv metode til fremstilling af vandbaserede nanovæsker med forskellige partikelkoncentrationer.
[jf. Ilhan et al., 2016]
STEM-billede, der viser morfologi af en ultralydsdispergeret en ethylenglycol (EG)-baseret hBN nanofluid med 0,5 % partikelvolumenkoncentration.
(Undersøgelse og grafer: © Ilhan et al., 2016)
“Ultralydbehandling er den mest udbredte proces i litteraturen for at øge stabiliteten af nanovæsker.” [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 enestående ydeevne.
Industrielle ultralydapparater til kølevæskeproduktion
Videnskabeligt bevist, industrielt etableret – Hielscher ultralydapparater til nanovæskeproduktion
Ultralydsspredere med høj forskydning er pålidelige maskiner til kontinuerlig produktion af højtydende kølemidler og varmeoverførselsvæsker. Ultralydsdrevet blanding er kendt for sin effektivitet og pålidelighed – selv når krævende blandingsbetingelser gælder.
Hielscher Ultrasonics-udstyr gør det muligt at fremstille ikke-giftige, ikke-farlige, nogle endda nanovæsker af fødevarekvalitet. Samtidig er alle vores ultralydapparater yderst effektive, pålidelige, sikre at betjene og meget robuste. Bygget til 24/7 drift, selv vores bordplade og mellemstore ultralydapparater er i stand til at producere bemærkelsesværdige volumener.
Læs mere om ultralydsproduktion af nanofluider eller kontakt os lige nu for at få dybdegående konsultation og et gratis forslag til en ultralydsdisperger!
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:
| Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
|---|---|---|
| 1 til 500 ml | 10 til 200 ml/min | UP100H |
| 10 til 2000 ml | 20 til 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 til 20L | 0.2 til 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 til 150L | 3 til 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 til 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer til blandingsapplikationer, dispersion, emulgering og ekstraktion i laboratorie-, 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, der er værd at vide
Hvorfor er nanofluider gode til køling og varmeoverførselsapplikationer?
En ny klasse af kølemidler er nanofluider, der består af en basisvæske (f.eks. vand), der fungerer som bærevæske for partikler i nanostørrelse. Specialdesignede nanopartikler (f.eks. CuO i nanostørrelse, aluminiumoxid, titandioxid, kulstofnanorør, silica eller metaller såsom kobber, sølvnanostave) dispergeret i basisvæsken kan forbedre varmeoverførselskapaciteten af den resulterende nanovæske betydeligt. Dette gør nanofluider til ekstraordinære højtydende kølevæsker.
Anvendelse af specifikt fremstillede nanovæsker, der indeholder termoledende nanopartikler, giver mulighed for betydelige forbedringer i varmeoverførsel og -spredning; f.eks. øgede sølvnanostave med en diameter på 55±12 nm og en gennemsnitlig længde på 12,8 μm ved 0,5 vol.% vandets varmeledningsevne med 68 %, og 0,5 vol.% af sølvnanostave øgede varmeledningsevnen af ethylenglycolbaseret kølemiddel med 98 %. Aluminiumoxidnanopartikler på 0,1 % kan øge vandets kritiske varmestrøm med så meget som 70 %; Partiklerne danner en ru porøs overflade på den afkølede genstand, hvilket tilskynder til dannelse af nye bobler, og deres hydrofile natur hjælper derefter med at skubbe dem væk, hvilket hindrer dannelsen af damplaget. Nanofluid med en koncentration på mere end 5% fungerer som ikke-newtonske væsker. (jf. (Oldenburg et al., 2007)
Tilsætning af metalnanopartikler til kølemidler, der anvendes i termiske kontrolsystemer, kan dramatisk øge basisvæskens varmeledningsevne. Sådanne metal-nanopartikel-væske-kompositmaterialer omtales som nanofluider, og deres anvendelse som kølemidler har potentiale til at reducere vægt- og effektkravene til rumfartøjers termiske kontrolsystemer. Nanofluiders varmeledningsevne afhænger af koncentrationen, størrelsen, formen, overfladekemien og aggregeringstilstanden af de bestanddele, der indgår i nanopartiklerne. Virkningerne af nanopartikelbelastningskoncentration og nanopartiklernes billedformat på varmeledningsevnen og viskositeten af vand og ethylenglycolbaserede kølemidler blev undersøgt. Sølvnanostave med en diameter på 55 ± 12 nm og en gennemsnitlig længde på 12,8 ± 8,5 μm ved en koncentration på 0,5 volumenprocent øgede vandets varmeledningsevne med 68 %. Varmeledningsevnen af et ethylenglycolbaseret kølemiddel blev øget med 98 % med en sølv nanorod-belastningskoncentration på 0,5 volumenprocent. Længere nanostænger havde en større effekt på varmeledningsevnen end kortere nanostænger ved samme belastningstæthed. Længere nanostænger øgede dog også viskositeten af basisvæsken i højere grad end kortere nanostave.
(Oldenburg et al., 2007)
Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydshomogenisatorer fra Lab til industriel størrelse.