Refrigerantes basados en nanofluidos termoconductores
Los nanofluidos sintetizados por ultrasonidos son refrigerantes y líquidos intercambiadores de calor eficaces. Los nanomateriales termoconductores aumentan significativamente 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. En el caso de los refrigerantes y los fluidos de transferencia de calor (también llamados fluidos térmicos o aceites térmicos), se desea una conductividad térmica elevada. Numerosos nanomateriales ofrecen grandes propiedades termoconductoras. Para aprovechar la conductividad térmica superior de los nanomateriales, se utilizan los llamados nanofluidos como líquidos refrigerantes. Un nanofluido es un fluido en el que partículas de tamaño nanométrico están suspendidas en un fluido base como agua, glicol o aceite, donde forman una solución coloidal. Los nanofluidos pueden aumentar significativamente su conductividad térmica en comparación con los líquidos sin nanopartículas o con partículas de mayor tamaño. 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 importancia rápidamente 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 ultrasónica es una técnica muy eficaz, fiable e industrialmente establecida para producir nanofluidos con capacidades de transferencia de calor de alto rendimiento.
UP400St, un potente procesador ultrasónico de 400 W para la producción de nanofluidos con una conductividad térmica superior.
- una elevada relación superficie/volumen para lograr índices de transferencia de energía y masa significativamente mayores
- baja masa para una muy buena estabilidad coloidal
- baja inercia, lo 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 CNT, sílice, grafeno, aluminio, plata, nitruro de boro y muchos otros. – ya han demostrado que aumentan la conductividad térmica de los fluidos caloportadores. A continuación encontrará ejemplos de resultados de investigación sobre nanofluidos termoconductores preparados por 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 ultrasonicador tipo sonda UP400S de Hielscher. Las partículas de aluminio dispersadas y desaglomeradas por ultrasonidos presentaron un tamaño de partícula de unos 120 nm en todos los nanofluidos. – independientemente de la concentración de partículas. La conductividad térmica de los nanofluidos aumentaba 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 del 0,57%, pero a 65°C este valor aumenta hasta el 8% aproximadamente. Para una concentración volumétrica del 4%, la mejora pasa del 7,6% al 14,4% al aumentar la temperatura de 25°C a 65°C.
[cf. Buonomo et al., 2015].
Distribución del tamaño de las partículas de nanofluidos de nitruro de boro a base de agua con distintas 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 ultrasonidos y tensioactivos como dodecil sulfato de sodio (SDS) y polivinilpirrolidona (PVP). El nanofluido hBN-agua dispersado por ultrasonidos muestra un aumento significativo de la conductividad térmica incluso para concentraciones de partículas muy diluidas. La sonicación con el ultrasonicador tipo sonda UP400S redujo el tamaño medio de partícula 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 ultrasonidos y la adición de tensioactivos. Esto convierte a la dispersión ultrasónica en un método eficaz para la preparación de nanofluidos acuosos con diversas concentraciones de partículas.
[cf. Ilhan et al., 2016].
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)
“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 con un rendimiento excepcional.
Ultrasonidos industriales para la producción de refrigerantes
Científicamente probado, industrialmente establecido – Ultrasonidos Hielscher para la producción de nanofluidos
Los dispersores ultrasónicos de alto cizallamiento son máquinas fiables para la producción continua de refrigerantes y fluidos de transferencia térmica 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 y algunos incluso aptos para uso alimentario. Al mismo tiempo, todos nuestros ultrasonidos son altamente eficientes, fiables, seguros y muy robustos. Fabricados para funcionar las 24 horas del día, los 7 días de la semana, incluso nuestros ultrasonidos de sobremesa y de tamaño medio son capaces de producir volúmenes notables.
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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 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 a 100 L/min | UIP16000 |
| n.a. | mayor | Grupo de UIP16000 |
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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
- 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.
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 nanométricas. Las nanopartículas diseñadas específicamente (por ejemplo, CuO de tamaño nanométrico, dióxido de titanio de alúmina, nanotubos de carbono, sílice o metales como cobre o nanorods de plata) dispersas en el fluido base pueden mejorar significativamente la capacidad de transferencia de calor del nanofluido resultante. Esto convierte a los nanofluidos en extraordinarios líquidos refrigerantes de alto rendimiento.
El uso de nanofluidos fabricados específicamente que contienen nanopartículas termoconductoras permite mejoras significativas en la transferencia y disipación de calor; por ejemplo, nanorods de plata de 55±12 nm de diámetro y 12,8 µm de longitud media al 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 hidrófila contribuye 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 de base. Estos materiales compuestos de fluidos y nanopartículas metálicas se denominan nanofluidos y su uso como refrigerantes puede reducir el peso y los requisitos energéticos 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 carga de nanopartículas y la relación de aspecto de las nanopartículas en la conductividad térmica y la viscosidad de 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)
Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.