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 hervorragende 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.

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.

Dispergieren von Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT) in Polyethylenglykol (PEG) mit Ultraschall

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UP400St für die Dispersion von Nanopartikeln in Nanofluiden.

UP400St, ein leistungsstarker 400-W-Ultraschallprozessor für die Herstellung von Nanofluiden mit überlegener Wärmeleitfähigkeit.

Die Ultraschallbehandlung ermöglicht es, die Vorteile von Partikeln in Nanogröße zu nutzen, wie

  • 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. Nachfolgend 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 nahm bei höheren Temperaturen im Vergleich zu reinem Wasser zu. Bei einer Konzentration von 0,5 % Al2O3-Teilchen bei einer Raumtemperatur von 25 °C beträgt der Anstieg der Wärmeleitfähigkeit nur etwa 0,57 %, aber bei 65 °C steigt dieser Wert 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]

Die Ultraschalldispersion ist eine hocheffiziente Methode zur Herstellung wässriger Bononitrid-Nanofluide mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit.

Partikelgrößenverteilung von wasserbasierten Bornitrid-Nanofluiden mit verschiedenen Bornitridkonzentrationen 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]

Die Aufnahme im Rastertransmissionselektronenmikroskop (STEM) zeigt ultraschalldispergiertes Bornitrid in Ethylenglykol. Für die Ultraschalldispergierung wurde das UP400S verwendet. Das resultierende Nanofluid hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit.

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)

Dispergieren von Nano-Kieselsäure mit Ultraschall: Der Hielscher Ultraschall-Homogenisator UP400St dispergiert Silica-Nanopartikel schnell und effizient zu einer gleichmäßigen Nano-Dispersion.

Ultraschalldispergierung von Nano-Silica mit dem Ultraschallgerät UP400St

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„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

Wissenschaftlich bewährt, industriell etabliert – Hielscher-Ultraschallgeräte für die Nanofluid-Produktion
Hochleistungs-Ultraschallgeräte sind zuverlässige und hocheffiziente Inline-Mischsysteme für die Herstellung von thermisch leitfähigen Nanofluiden.Ultraschall-High-Shear-Dispergierer sind zuverlässige Maschinen für die kontinuierliche Herstellung von Hochleistungskühlmitteln und Wärmeträgerflüssigkeiten. Ultraschallgesteuertes Mischen ist für seine Effizienz und Zuverlässigkeit bekannt – auch bei schwierigen Mischbedingungen.
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.
Lesen Sie mehr über die Herstellung von Nanofluiden mit Ultraschall oder kontaktieren Sie uns jetzt, um eine ausführliche Beratung und ein kostenloses Angebot für einen Ultraschall-Dispergierer zu erhalten!

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

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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In diesem Video zeigen wir Ihnen ein 2-Kilowatt-Ultraschallsystem für den Inline-Betrieb in einem mit Stickstoff-spülbaren Schrank. Hielscher liefert Ultraschallgeräte für fast alle Branchen, wie z.B. für die chemische Industrie, Pharmazie, Kosmetik, petrochemische Prozesse sowie für lösungsmittelbasierte Extraktionsverfahren. Dieser spülbare Edelstahlschrank ist für den Betrieb in explosionsgefährdeten Bereichen ausgelegt. Zu diesem Zweck kann der abgedichtete Schrank vom Kunden mit Stickstoff oder Frischluft gespült werden, um zu verhindern, dass brennbare Gase oder Dämpfe in den Schrank gelangen.

2x 1000-Watt-Ultraschallgeräte in einem mit Stickstoff-spülbaren Schrank zur Installation in explosionsgefährdeten Bereichen

Ultraschall-High-Shear-Homogenisatoren werden im Labor, Technikum, in der Pilotanlage sowie in der industriellen Produktion eingesetzt.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.



Literatur / Literaturhinweise

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, Kohlenstoffnanoröhrchen, Siliziumdioxid oder Metalle wie Kupfer- und Silbernanostäbchen), die in der Grundflüssigkeit 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 von Kühlmitteln 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)


Hochleistungs-Ultraschall! Die Produktpalette von Hielscher deckt das gesamte Spektrum vom kompakten Labor-Ultraschallgerät über Bench-top-Homogenisatoren bis hin zu vollindustriellen Ultraschallsystemen ab.

Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.