Kühlmittel auf Basis wärmeleitfähiger Nanofluide

Mittels Ultraschall synthetisierte Nanofluide sind effiziente Kühlmittel und Wärmetauscherflüssigkeiten. Wärmeleitfähige Nanomaterialien erhöhen die Wärmeübertragung und das Wärmeabfuhrvermögen erheblich. Die Ultraschallbehandlung ist sowohl bei der Synthese und Funktionalisierung wärmeleitfähiger Nanopartikel als auch bei der Herstellung stabiler, leistungsfähiger Nanofluide für Kühlanwendungen fest etabliert.

Auswirkungen von Nanofluiden auf die thermohydraulische Leistungsfähigkeit

Die Wärmeleitfähigkeit eines Materials ist ein Maß für seine Fähigkeit, Wärme zu leiten. Bei Kühlmitteln und Wärmeträgerflüssigkeiten (auch Thermofluide oder Thermoöle genannt) ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit erwünscht. Zahlreiche Nanomaterialien weisen hervorragende wärmeleitende Eigenschaften auf. Um die überlegene Wärmeleitfähigkeit von Nanomaterialien zu nutzen, werden sogenannte Nanofluide als Kühlflüssigkeiten eingesetzt. Ein Nanofluid ist ein Fluid, in dem nanometergroße Partikel in einer Basisflüssigkeit wie Wasser, Glykol oder Öl suspendiert sind und dort eine kolloidale Lösung bilden. Nanofluide können gegenüber Flüssigkeiten ohne Nanopartikel oder größere Partikel eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Material, Größe, Viskosität, Oberflächenladung und Fluidstabilität der dispergierten Nanopartikel beeinflussen die thermische Leistungsfähigkeit von Nanofluiden erheblich. Nanofluide gewinnen bei Wärmeübertragungsanwendungen rasch an Bedeutung, da sie gegenüber herkömmlichen Basisflüssigkeiten eine überlegene Wärmeübertragungsleistung aufweisen.
Die Ultraschalldispergierung ist ein hocheffizientes, zuverlässiges und industriell etabliertes Verfahren zur Herstellung von Nanofluiden mit hoher Wärmeübertragungsleistung.

Durch Ultraschall synthetisierte Nanofluide sind effiziente Kühlmittel und Wärmeträgerflüssigkeiten. Wärmeleitfähige Nanomaterialien erhöhen die Wärmeübertragungs- und Wärmeabfuhrkapazität erheblich. Die Ultraschallbehandlung ist bei der Synthese und Funktionalisierung wärmeleitfähiger Nanopartikel sowie bei der Herstellung stabiler, leistungsfähiger Nanofluide für Kühlanwendungen fest etabliert.

Die Ultraschallbehandlung ermöglicht es, die Vorteile nanoskaliger Partikel zu nutzen, darunter

• ein hohes Verhältnis von Oberfläche zu Volumen für deutlich höhere Energie- und Stoffübertragungsraten
• eine geringe Masse für eine sehr gute kolloidale Stabilität
• eine geringe Trägheit, die Erosion minimiert

Diese durch die nanoskalige Größe bedingten Eigenschaften verleihen Nanofluiden ihre außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit. Die Ultraschalldispergierung ist das effizienteste Verfahren zur Herstellung funktionalisierter Nanopartikel und Nanofluide.

Mittels Ultraschall hergestellte Nanofluide mit überlegener Wärmeleitfähigkeit

Für zahlreiche Nanomaterialien – wie CNTs, Siliziumdioxid, Graphen, Aluminium, Silber, Bornitrid und viele weitere – wurde bereits nachgewiesen, dass sie die Wärmeleitfähigkeit von Wärmeträgerflüssigkeiten erhöhen. Im Folgenden finden Sie beispielhafte Forschungsergebnisse zu wärmeleitfähigen Nanofluiden, die mittels Ultraschallbehandlung hergestellt wurden.

Herstellung aluminiumbasierter Nanofluide mit Ultraschall

Buonomo et al. (2015) wiesen die verbesserte Wärmeleitfähigkeit von Al2O3-Nanofluiden nach, die mittels Ultraschallbehandlung hergestellt wurden.
Um Al2O3-Nanopartikel gleichmäßig in Wasser zu dispergieren, verwendeten die Forschenden das Ultraschallgerät UP400S mit Sonotrode von Hielscher. Die mittels Ultraschall deagglomerierten und dispergierten Aluminiumpartikel wiesen in allen Nanofluiden eine Partikelgröße von etwa 120 nm auf – unabhängig von der Partikelkonzentration. Bei höheren Temperaturen nahm die Wärmeleitfähigkeit der Nanofluide im Vergleich zu reinem Wasser zu. Bei einer Al2O3-Partikelkonzentration von 0,5% und einer Raumtemperatur von 25°C beträgt die Zunahme 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%, wenn die Temperatur von 25°C auf 65°C steigt.
[vgl. Buonomo et al., 2015]

Herstellung bornitridbasierter Nanofluide mittels Ultraschallbehandlung

Ilhan et al. (2016) untersuchten die Wärmeleitfähigkeit von Nanofluiden auf Basis von hexagonalem Bornitrid (hBN). Zu diesem Zweck wird eine Reihe gut dispergierter, stabiler Nanofluide mit hBN-Nanopartikeln mit einem mittleren Durchmesser von 70 nm in einem zweistufigen Verfahren unter Einsatz von Ultraschallbehandlung und Tensiden wie Natriumdodecylsulfat (SDS) und Polyvinylpyrrolidon (PVP) hergestellt. Das mittels Ultraschall dispergierte hBN-Wasser-Nanofluid zeigt selbst bei sehr geringen Partikelkonzentrationen eine deutliche Zunahme der Wärmeleitfähigkeit. Die Beschallung mit dem Ultraschallgerät UP400S mit Sonotrode verringerte die durchschnittliche Partikelgröße der Aggregate auf den Bereich von 40–60 nm. Die Forschenden kommen zu dem Schluss, dass große und dichte Bornitridaggregate, die im unbehandelten trockenen Zustand beobachtet wurden, durch die Ultraschallbehandlung und die Zugabe von Tensiden aufgebrochen werden. Damit ist die Ultraschalldispergierung eine wirksame Methode zur Herstellung wasserbasierter Nanofluide mit unterschiedlichen Partikelkonzentrationen.
[vgl. Ilhan et al., 2016]

„Die Ultraschallbehandlung ist das in der Literatur am häufigsten eingesetzte Verfahren zur Erhöhung der Stabilität von Nanofluiden.“ [Ilhan et al., 2016] Auch in der industriellen Produktion ist die Ultraschallbehandlung heute das wirksamste, zuverlässigste und wirtschaftlichste Verfahren, um langfristig stabile Nanofluide mit herausragender Leistungsfähigkeit zu erhalten.

Industrielle Ultraschallgeräte zur Kühlmittelherstellung

Wissenschaftlich nachgewiesen, industriell etabliert – Ultraschallgeräte von Hielscher zur Herstellung von Nanofluiden
Ultraschall-Hochscherdispergierer sind zuverlässige Maschinen für die kontinuierliche Herstellung leistungsfähiger Kühlmittel und Wärmeträgerflüssigkeiten. Das ultraschallgestützte Mischen ist für seine Effizienz und Zuverlässigkeit bekannt – selbst unter anspruchsvollen Mischbedingungen.
Die Geräte von Hielscher Ultrasonics ermöglichen die Herstellung ungiftiger, ungefährlicher und teilweise sogar lebensmitteltauglicher Nanofluide. Gleichzeitig sind alle unsere Ultraschallgeräte hocheffizient, zuverlässig, betriebssicher und sehr robust. Sie sind für den 24/7-Betrieb ausgelegt, und selbst unsere Tischgeräte und mittelgroßen Ultraschallgeräte können beachtliche Mengen produzieren.
Lesen Sie mehr über die Herstellung von Nanofluiden mittels Ultraschall oder kontaktieren Sie uns jetzt für eine ausführliche Beratung und ein kostenloses Angebot für einen Ultraschalldispergierer!

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Anhaltspunkt für die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte:

In diesem Video zeigen wir Ihnen ein 2-Kilowatt-Ultraschallsystem für den Inline-Betrieb in einem spülbaren Schrank. Hielscher liefert Ultraschallgeräte für nahezu alle Branchen, etwa die Chemie-, Pharma- und Kosmetikindustrie, sowie für petrochemische Prozesse und lösungsmittelbasierte Extraktionsverfahren. Dieser spülbare Edelstahlschrank ist für den Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen ausgelegt. Dazu kann der Kunde den abgedichteten Schrank mit Stickstoff oder Frischluft spülen, um das Eindringen entzündlicher Gase oder Dämpfe zu verhindern.