Kühlmittel auf Basis von wärmeleitenden Nanofluiden
Mit Ultraschall synthetisierte Nanofluide sind effiziente Kühlmittel und Wärmetauscherflüssigkeiten. Wärmeleitende Nanomaterialien erhöhen die Wärmeübertragung und die Wärmeableitungskapazität erheblich. Die Beschallung hat sich bei der Synthese und Funktionalisierung von wärmeleitenden Nanopartikeln sowie bei der Herstellung von stabilen, leistungsstarken Nanofluiden für Kühlanwendungen bewährt.
Nanofluidische Effekte auf die thermohydraulische Leistung
Die Wärmeleitfähigkeit eines Materials ist ein Maß für seine Fähigkeit, Wärme zu leiten. Für Kühlmittel und Wärmeübertragungsflüssigkeit (auch Thermoöl genannt) ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit erwünscht. Zahlreiche Nanomaterialien weisen sehr gute Wärmeleiteigenschaften auf. Um die überlegene Wärmeleitfähigkeit von Nanomaterialien zu nutzen, werden sogenannte Nanofluide als Kühlflüssigkeiten eingesetzt. Ein Nanofluid ist eine Flüssigkeit, in der nanometergroße Partikel in einer Basisflüssigkeit wie Wasser, Glykol oder Öl suspendiert sind, wo sie eine kolloidale Lösung bilden. Nanofluide können die Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu Flüssigkeiten ohne Nanopartikel oder größeren Partikeln deutlich erhöhen. Material, Größe, Viskosität, Oberflächenladung und Flüssigkeitsstabilität der dispergierten Nanopartikel beeinflussen die thermische Leistung von Nanofluiden erheblich. Nanofluide gewinnen bei Wärmeübertragungsanwendungen rasch an Bedeutung, da sie im Vergleich zu herkömmlichen Basisflüssigkeiten eine bessere Wärmeübertragungsleistung aufweisen.
Die Ultraschalldispersion ist eine hocheffiziente, zuverlässige und industriell etablierte Technik zur Herstellung von Nanofluiden mit hoher Wärmeübertragungsleistung.
UP400St, ein leistungsstarker 400-W-Ultraschallprozessor für die Herstellung von Nanofluiden mit überlegener Wärmeleitfähigkeit.
- ein hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis für deutlich höhere Energie- und Stoffübertragungsraten
- geringe Masse für sehr gute kolloidale Stabilität
- geringe Trägheit, die die Erosion minimiert
Diese mit der Nanogröße zusammenhängenden Merkmale verleihen Nanofluiden ihre außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit. Die Ultraschalldispersion ist die effizienteste Technik zur Herstellung von funktionalisierten Nanopartikeln und Nanofluiden.
Mit Ultraschall hergestellte Nanofluide mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit
Zahlreiche Nanomaterialien – wie CNTs, Siliziumdioxid, Graphen, Aluminium, Silber, Bornitrid und viele andere – haben bereits bewiesen, dass sie die Wärmeleitfähigkeit von Wärmeübertragungsflüssigkeiten erhöhen. Im Folgenden finden Sie beispielhafte Forschungsergebnisse für thermisch leitfähige Nanofluide, die mit Ultraschall hergestellt wurden.
Herstellung von Nanofluiden auf Alumiuniumbasis mit Ultraschall
Buonomo et al. (2015) wiesen die verbesserte Wärmeleitfähigkeit von Al2O3-Nanofluiden nach, die unter Ultraschallbehandlung hergestellt wurden.
Um Al2O3-Nanopartikel gleichmäßig in Wasser zu dispergieren, setzten die Forscher den Hielscher Sonden-Ultraschallgenerator UP400S ein. Die mit Ultraschall desagglomerierten und dispergierten Aluminiumpartikel wiesen bei allen Nanofluiden eine Partikelgröße von ca. 120 nm auf – unabhängig von der Partikelkonzentration. Die Wärmeleitfähigkeit von Nanofluiden nimmt bei höheren Temperaturen im Vergleich zu reinem Wasser zu. Bei einer Konzentration von 0,5 % Al2O3-Partikeln bei einer Raumtemperatur von 25 °C beträgt der Anstieg der Wärmeleitfähigkeit nur etwa 0,57 %, bei 65 °C steigt dieser Wert jedoch auf etwa 8 %. Bei einer Volumenkonzentration von 4 % steigt die Verbesserung von 7,6 % auf 14,4 % mit steigender Temperatur von 25 °C auf 65 °C.
[vgl. Buonomo et al., 2015]
Partikelgrößenverteilung von Bornitrid-Nanofluiden auf Wasserbasis mit verschiedenen Bornitrid-Konzentrationen nach Ultraschallbehandlung mit dem UP400S (a) 0,1% hBN, (b) 0,5% hBN, (c) 2% hBN
(Studie und Diagramme: © Ilhan et al., 2016)
Herstellung von Nanofluiden auf Bornitridbasis durch Sonikation
Ilhan et al. (2016) untersuchten die Wärmeleitfähigkeit von Nanofluiden auf Basis von hexagonalem Bornitrid (hBN). Zu diesem Zweck wurde eine Reihe von gut dispergierten, stabilen Nanofluiden, die hBN-Nanopartikel mit einem mittleren Durchmesser von 70 nm enthalten, in einem zweistufigen Verfahren mit Ultraschall und Tensiden wie Natriumdodecylsulfat (SDS) und Polyvinylpyrrolidon (PVP) hergestellt. Das mit Ultraschall dispergierte hBN-Wasser-Nanofluid zeigt selbst bei sehr verdünnten Partikelkonzentrationen eine deutliche Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit. Die Beschallung mit dem Sonden-Ultraschallgerät UP400S reduzierte die durchschnittliche Partikelgröße der Aggregate auf 40-60 nm. Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass große und dichte Bornitrid-Aggregate, die im unbehandelten trockenen Zustand zu beobachten waren, durch die Ultraschallbehandlung und die Zugabe von Tensiden aufgebrochen werden. Dies macht die Ultraschalldispersion zu einer wirksamen Methode für die Herstellung von Nanofluiden auf Wasserbasis mit unterschiedlichen Partikelkonzentrationen.
[vgl. Ilhan et al., 2016]
STEM-Bild, das die Morphologie eines ultraschalldispergierten hBN-Nanofluids auf Ethylenglykol (EG)-Basis mit einer Partikelvolumenkonzentration von 0,5 % zeigt.
(Studie und Diagramme: © Ilhan et al., 2016)
„Die Ultraschallbehandlung ist das in der Literatur am häufigsten verwendete Verfahren zur Erhöhung der Stabilität von Nanofluiden.“ [Ilhan et al., 2016] Und auch in der industriellen Produktion ist die Beschallung heutzutage die effektivste, zuverlässigste und wirtschaftlichste Technik, um langzeitstabile Nanofluide mit hervorragender Leistung zu erhalten.
Industrie-Ultraschallgeräte für die Kühlmittelproduktion
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Mit den Geräten von Hielscher Ultrasonics lassen sich ungiftige, ungefährliche und teilweise sogar lebensmitteltaugliche Nanofluide herstellen. Gleichzeitig sind alle unsere Ultraschallgeräte hocheffizient, zuverlässig, betriebssicher und sehr robust. Selbst unsere Tisch-Ultraschallgeräte und mittelgroßen Geräte sind für den 24/7-Betrieb ausgelegt und können beachtliche Mengen produzieren.
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In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:
| Batch-Volumen | Durchfluss | Empfohlenes Ultraschallgerät |
|---|---|---|
| 1 bis 500ml | 10 bis 200ml/min | UP100H |
| 10 bis 2000ml | 20 bis 400ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 bis 20l | 0,2 bis 4l/min | UIP2000hdT |
| 10 bis 100l | 2 bis 10l/min | UIP4000hdT |
| 15 bis 150 Liter | 3 bis 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 bis 100l/min | UIP16000 |
| n.a. | größere | Cluster aus UIP16000 |
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Literatur / Literaturhinweise
- 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.
Wissenswertes
Warum sind Nanofluide gut für Kühl- und Wärmeübertragungsanwendungen?
Eine neue Klasse von Kühlmitteln sind Nanofluide, die aus einer Basisflüssigkeit (z. B. Wasser) bestehen, die als Trägerflüssigkeit für Partikel in Nanogröße dient. Speziell entwickelte Nanopartikel (z. B. CuO in Nanogröße, Aluminiumoxid-Titandioxid, Kohlenstoffnanoröhren, Siliziumdioxid oder Metalle wie Kupfer- und Silbernanostäbchen), die in der Basisflüssigkeit dispergiert sind, können die Wärmeübertragungskapazität des resultierenden Nanofluids erheblich verbessern. Dies macht Nanofluide zu außerordentlich leistungsfähigen Kühlflüssigkeiten.
Die Verwendung speziell hergestellter Nanofluide, die wärmeleitende Nanopartikel enthalten, ermöglicht erhebliche Verbesserungen bei der Wärmeübertragung und -ableitung; z. B. erhöhen Silbernanostäbchen mit einem Durchmesser von 55±12 nm und einer durchschnittlichen Länge von 12,8 µm bei 0,5 Vol.-% die Wärmeleitfähigkeit von Wasser um 68 %, und 0,5 Vol.-% Silbernanostäbchen erhöhen die Wärmeleitfähigkeit eines Kühlmittels auf Ethylenglykolbasis um 98 %. Aluminiumoxid-Nanopartikel in einer Konzentration von 0,1 % können den kritischen Wärmestrom von Wasser um bis zu 70 % erhöhen; die Partikel bilden auf dem gekühlten Objekt eine raue, poröse Oberfläche, die die Bildung neuer Blasen begünstigt, und ihre hydrophile Beschaffenheit trägt dazu bei, diese wegzudrücken und die Bildung der Dampfschicht zu verhindern. Nanofluide mit einer Konzentration von mehr als 5 % verhalten sich wie nicht-newtonsche Flüssigkeiten. (vgl. (Oldenburg et al., 2007)
Der Zusatz von Metallnanopartikeln zu Kühlmitteln, die in Wärmekontrollsystemen verwendet werden, kann die Wärmeleitfähigkeit der Basisflüssigkeit drastisch erhöhen. Solche Verbundwerkstoffe aus Metallnanopartikeln und Flüssigkeit werden als Nanofluide bezeichnet, und ihre Verwendung als Kühlmittel hat das Potenzial, das Gewicht und den Energiebedarf von Wärmekontrollsystemen für Raumfahrzeuge zu verringern. Die Wärmeleitfähigkeit von Nanofluiden ist abhängig von der Konzentration, der Größe, der Form, der Oberflächenchemie und dem Aggregatzustand der enthaltenen Nanopartikel. Es wurden die Auswirkungen der Nanopartikelkonzentration und des Seitenverhältnisses der Nanopartikel auf die Wärmeleitfähigkeit und Viskosität von Kühlmitteln auf Wasser- und Ethylenglykolbasis untersucht. Silbernanostäbchen mit einem Durchmesser von 55 ± 12 nm und einer durchschnittlichen Länge von 12,8 ± 8,5 μm in einer Konzentration von 0,5 Vol.-% erhöhten die Wärmeleitfähigkeit von Wasser um 68 %. Die Wärmeleitfähigkeit eines Kühlmittels auf Ethylenglykolbasis wurde mit einer Silbernanostäbchen-Beladungskonzentration von 0,5 Vol.-% um 98 % erhöht. Längere Nanostäbchen hatten bei gleicher Beladungsdichte eine größere Wirkung auf die Wärmeleitfähigkeit als kürzere Nanostäbchen. Längere Nanostäbchen erhöhten jedoch auch die Viskosität der Basisflüssigkeit in stärkerem Maße als kürzere Nanostäbchen.
(Oldenburg et al., 2007)
Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.