Refrigerantes basados en nanofluidos termoconductores

Los nanofluidos sintetizados por ultrasonidos son eficaces refrigerantes y líquidos para intercambiadores de calor. Los nanomateriales termoconductores aumentan considerablemente la capacidad de transferencia y disipación de calor. La sonicación está bien establecida en la síntesis y funcionalización de nanopartículas termoconductoras, así como en la producción de nanofluidos estables de alto rendimiento para aplicaciones de refrigeración.

Efectos nanofluídicos en el rendimiento termohidráulico

La conductividad térmica de un material es una medida de su capacidad para conducir el calor. Para los refrigerantes y el fluido de transferencia de calor (también llamado fluido térmico o aceite térmico), se desea una alta conductividad térmica. Numerosos nanomateriales ofrecen grandes propiedades termoconductoras. Para utilizar la conductividad térmica superior de los nanomateriales, se utilizan los llamados nanofluidos como líquidos refrigerantes. Un nanofluido es un fluido en el que las partículas de tamaño nanométrico están suspendidas en un fluido base como el agua, el glicol o el aceite, donde forman una solución coloidal. Los nanofluidos pueden aumentar significativamente la conductividad térmica en comparación con los líquidos sin nanopartículas o con partículas más grandes. El material, el tamaño, la viscosidad, la carga superficial y la estabilidad del fluido de las nanopartículas dispersas afectan significativamente al rendimiento térmico de los nanofluidos. Los nanofluidos están ganando rápidamente importancia en las aplicaciones de transferencia de calor, ya que muestran un rendimiento de transferencia de calor superior al de los fluidos base convencionales.
La dispersión por ultrasonidos es una técnica muy eficaz, fiable y establecida en la industria para producir nanofluidos con capacidades de transferencia de calor de alto rendimiento.

Los nanofluidos sintetizados por ultrasonidos son eficaces refrigerantes y líquidos para intercambiadores de calor. Los nanomateriales termoconductores aumentan considerablemente la capacidad de transferencia y disipación de calor. La sonicación está bien establecida en la síntesis y funcionalización de nanopartículas termoconductoras, así como en la producción de nanofluidos estables de alto rendimiento para aplicaciones de refrigeración.

Dispersión ultrasónica de nanotubos de carbono (CNT) en polietilenglicol (PEG)

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UP400St para la dispersión de nanopartículas en nanofluidos.

UP400St, un potente procesador de ultrasonidos de 400W para la producción de nanofluidos con una conductividad térmica superior.

La ultrasonicación permite aprovechar las ventajas de las partículas de tamaño nanométrico, como

  • una elevada relación superficie/volumen para lograr un índice de transferencia de energía y masa significativamente mayor
  • baja masa para una muy buena estabilidad coloidal
  • baja inercia, que minimiza la erosión

Estas características relacionadas con el tamaño nanométrico confieren a los nanofluidos su excepcional conductividad térmica. La dispersión ultrasónica es la técnica más eficaz para producir nanopartículas y nanofluidos funcionalizados.

Nanofluidos producidos por ultrasonidos con una conductividad térmica superior

Numerosos nanomateriales – como los CNT, el sílice, el grafeno, el aluminio, la plata, el nitruro de boro y muchos otros – ya han demostrado que aumentan la conductividad térmica de los fluidos de transferencia de calor. A continuación, puede encontrar resultados de investigación ejemplares de nanofluidos termoconductores preparados bajo ultrasonidos.

Producción de nanofluidos a base de alumiunio con ultrasonidos

Buonomo et al. (2015) demostraron la mejora de la conductividad térmica de los nanofluidos de Al2O3, que se prepararon bajo ultrasonidos.
Para dispersar uniformemente las nanopartículas de Al2O3 en el agua, los investigadores utilizaron el ultrasonido tipo sonda UP400S de Hielscher. Las partículas de aluminio desaglomeradas y dispersadas por ultrasonidos dieron lugar a un tamaño de partícula de aproximadamente 120 nm para todos los nanofluidos – independientemente de la concentración de partículas. La conductividad térmica de los nanofluidos aumentó a temperaturas más altas en comparación con el agua pura. Con una concentración de partículas de Al2O3 del 0,5% a una temperatura ambiente de 25°C, el aumento de la conductividad térmica es sólo de un 0,57%, pero a 65°C este valor aumenta hasta un 8% aproximadamente. Para una concentración de volumen del 4%, la mejora pasa del 7,6% al 14,4% con el aumento de la temperatura de 25°C a 65°C.
[cf. Buonomo et al., 2015]

La dispersión por ultrasonidos es un método muy eficaz para producir nanofluidos acuosos de nitruro de bonón con una conductividad térmica superior.

Distribución del tamaño de las partículas de los nanofluidos de nitruro de boro a base de agua con varias concentraciones de nitruro de boro después de la ultrasonicación con el UP400S (a) 0,1% hBN, (b) 0,5% hBN, (c) 2% hBN
(Estudio y gráficos: © Ilhan et al., 2016)

Producción de nanofluidos a base de nitruro de boro mediante sonicación

Ilhan et al. (2016) investigaron la conductividad térmica de nanofluidos basados en nitruro de boro hexagonal (hBN). Para ello, se produce una serie de nanofluidos estables y bien dispersos, que contienen nanopartículas de hBN con un diámetro medio de 70 nm, con un método de dos pasos que implica la ultrasonificación y tensioactivos como el dodecil sulfato de sodio (SDS) y la polivinilpirrolidona (PVP). El nanofluido de hBN-agua dispersado por ultrasonidos muestra un aumento significativo de la conductividad térmica incluso para concentraciones de partículas muy diluidas. La sonicación con el ultrasonador tipo sonda UP400S redujo el tamaño medio de las partículas de los agregados hasta el rango de 40-60 nm. Los investigadores concluyen que los agregados grandes y densos de nitruro de boro, que se observaron en estado seco sin tratar, se rompen con el proceso de ultrasonido y la adición de surfactante. Esto hace que la dispersión por ultrasonidos sea un método eficaz para la preparación de nanofluidos a base de agua con diversas concentraciones de partículas.
[cf. Ilhan et al., 2016]

La imagen del microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM) muestra el nitruro de boro dispersado por ultrasonidos en etilenglicol. Para la dispersión por ultrasonidos se utilizó el UP400S. El nanofluido resultante tiene una alta conductividad térmica.

Imagen STEM que muestra la morfología de un nanofluido de hBN basado en etilenglicol (EG) dispersado por ultrasonidos con una concentración de volumen de partículas del 0,5%.
(Estudio y gráficos: © Ilhan et al., 2016)

Dispersión ultrasónica de nano-sílice: El homogeneizador ultrasónico UP400St de Hielscher dispersa las nanopartículas de sílice de forma rápida y eficiente en una nano-dispersión uniforme.

Dispersión por ultrasonidos de la nano-sílice utilizando el ultrasonicador UP400St

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“La ultrasonicación es el proceso más utilizado en la literatura para aumentar la estabilidad de los nanofluidos.” [Ilhan et al., 2016] Y también en la producción industrial, la sonicación es hoy en día la técnica más eficaz, fiable y económica para obtener nanofluidos estables a largo plazo y de excelente rendimiento.

Ultrasonidos industriales para la producción de refrigerantes

Probado científicamente y establecido industrialmente – Ultrasonidos Hielscher para la producción de nanofluidos
Los ultrasonidos de alto rendimiento son sistemas de mezcla en línea fiables y muy eficaces para la producción de nanofluidos termoconductores.Los dispersores de alto cizallamiento por ultrasonidos son máquinas fiables para la producción continua de refrigerantes y fluidos de transferencia de calor de alto rendimiento. La mezcla por ultrasonidos es conocida por su eficacia y fiabilidad – incluso en condiciones de mezcla exigentes.
Los equipos de Hielscher Ultrasonics permiten preparar nanofluidos no tóxicos, no peligrosos, algunos incluso de grado alimentario. Al mismo tiempo, todos nuestros ultrasonidos son altamente eficientes, fiables, seguros de operar y muy robustos. Construidos para un funcionamiento 24/7, incluso nuestros ultrasonidos de sobremesa y de tamaño medio son capaces de producir volúmenes notables.
Lea más sobre la producción de nanofluidos por ultrasonidos o póngase en contacto con nosotros ahora mismo para obtener un asesoramiento exhaustivo y una propuesta gratuita de un dispersor por ultrasonidos.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
15 a 150L De 3 a 15L/min UIP6000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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En este vídeo le mostramos un sistema de ultrasonidos de 2 kilovatios para el funcionamiento en línea en una cabina purgable. Hielscher suministra equipos de ultrasonidos a casi todas las industrias, como la química, la farmacéutica, la cosmética, los procesos petroquímicos y los procesos de extracción con disolventes. Esta cabina de acero inoxidable purgable está diseñada para funcionar en zonas peligrosas. Para ello, la cabina sellada puede ser purgada por el cliente con nitrógeno o aire fresco para evitar la entrada de gases o vapores inflamables en la cabina.

2x 1000 Watts Ultrasonicators en gabinete purgable para la instalación en áreas peligrosas

Los homogeneizadores de alto cizallamiento por ultrasonidos se utilizan en el laboratorio, en la mesa de trabajo, en los procesos piloto y en la industria.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.



Literatura / Referencias

Información interesante

¿Por qué son buenos los nanofluidos para aplicaciones de refrigeración y transferencia de calor?

Una nueva clase de refrigerantes son los nanofluidos, que consisten en un fluido base (por ejemplo, agua), que actúa como líquido portador de partículas de tamaño nanométrico. Las nanopartículas diseñadas a propósito (por ejemplo, CuO de tamaño nanométrico, dióxido de titanio de alúmina, nanotubos de carbono, sílice o metales como el cobre o los nanorods de plata) dispersas en el fluido base pueden mejorar la capacidad de transferencia de calor del nanofluido resultante de forma significativa. Esto convierte a los nanofluidos en extraordinarios líquidos refrigerantes de alto rendimiento.
El uso de nanofluidos específicamente fabricados que contienen nanopartículas termoconductoras permite mejorar significativamente la transferencia y disipación de calor; por ejemplo, los nanorods de plata de 55±12 nm de diámetro y 12,8 µm de longitud media a 0,5 vol.% aumentaron la conductividad térmica del agua en un 68%, y el 0,5 vol.% de nanorods de plata aumentó la conductividad térmica del refrigerante a base de etilenglicol en un 98%. Las nanopartículas de alúmina al 0,1% pueden aumentar el flujo de calor crítico del agua hasta en un 70%; las partículas forman una superficie porosa rugosa en el objeto enfriado, lo que favorece la formación de nuevas burbujas, y su naturaleza hidrofílica ayuda a alejarlas, dificultando la formación de la capa de vapor. Los nanofluidos con una concentración superior al 5% actúan como fluidos no newtonianos. (cf. (Oldenburg et al., 2007)

La adición de nanopartículas metálicas a los refrigerantes utilizados en los sistemas de control térmico puede aumentar drásticamente la conductividad térmica del fluido base. Estos materiales compuestos de nanopartículas metálicas y fluidos se denominan nanofluidos y su uso como refrigerantes puede reducir el peso y la potencia de los sistemas de control térmico de las naves espaciales. La conductividad térmica de los nanofluidos depende de la concentración, el tamaño, la forma, la química superficial y el estado de agregación de las nanopartículas que los componen. Se investigaron los efectos de la concentración de la carga de nanopartículas y la relación de aspecto de las nanopartículas en la conductividad térmica y la viscosidad de los refrigerantes basados en agua y etilenglicol. Los nanorods de plata con un diámetro de 55 ± 12 nm y una longitud media de 12,8 ± 8,5 μm a una concentración del 0,5% en volumen aumentaron la conductividad térmica del agua en un 68%. La conductividad térmica de un refrigerante a base de etilenglicol aumentó un 98% con una concentración de carga de nanorods de plata del 0,5% en volumen. Los nanorods más largos tuvieron un mayor efecto en la conductividad térmica que los nanorods más cortos a la misma densidad de carga. Sin embargo, los nanorods más largos también aumentaron la viscosidad del fluido base en mayor medida que los nanorods más cortos.
(Oldenburg et al., 2007)


Ultrasonidos de alto rendimiento La gama de productos de Hielscher cubre todo el espectro, desde el ultrasonido compacto de laboratorio, pasando por las unidades de sobremesa, hasta los sistemas de ultrasonidos totalmente industriales.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.