Refrigerantes basados en nanofluidos termoconductores

Los nanofluidos sintetizados mediante ultrasonidos son refrigerantes y líquidos para intercambiadores de calor eficientes. Los nanomateriales termoconductores aumentan significativamente la capacidad de transferencia y disipación del calor. La sonicación es una técnica consolidada tanto para la síntesis y funcionalización de nanopartículas termoconductoras como para la producción de nanofluidos estables de alto rendimiento destinados a aplicaciones de refrigeración.

Efectos de los nanofluidos sobre el rendimiento termohidráulico

La conductividad térmica de un material mide su capacidad para conducir el calor. En los refrigerantes y fluidos de transferencia de calor (también denominados fluidos térmicos o aceites térmicos), se busca una alta conductividad térmica. Numerosos nanomateriales ofrecen excelentes propiedades termoconductoras. Para aprovechar la conductividad térmica superior de los nanomateriales, se utilizan los denominados 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 presentar una conductividad térmica significativamente mayor que los líquidos sin nanopartículas o 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 adquiriendo rápidamente importancia en las aplicaciones de transferencia de calor, ya que ofrecen un rendimiento de transferencia de calor superior al de los fluidos base convencionales.
La dispersión ultrasónica es una técnica altamente eficiente, fiable y consolidada en la industria para producir nanofluidos con una elevada capacidad de transferencia de calor.

Los nanofluidos sintetizados mediante ultrasonidos son refrigerantes y fluidos eficientes para intercambiadores de calor. Los nanomateriales termoconductores aumentan significativamente la transferencia de calor y la capacidad de disipación térmica. La sonicación es una técnica consolidada para la síntesis y funcionalización de nanopartículas termoconductoras, así como para la producción de nanofluidos estables de alto rendimiento para aplicaciones de refrigeración.

El tratamiento por ultrasonidos permite aprovechar las ventajas de las partículas de tamaño nanométrico, como

• una elevada relación superficie : volumen que permite tasas de transferencia de energía y masa significativamente mayores
• una masa reducida que proporciona una excelente estabilidad coloidal
• una baja inercia, que minimiza la erosión

Estas características asociadas al tamaño nanométrico confieren a los nanofluidos su excepcional conductividad térmica. La dispersión ultrasónica es la técnica más eficiente para producir nanopartículas funcionalizadas y nanofluidos.

Nanofluidos producidos mediante ultrasonidos con una conductividad térmica superior

Ya se ha demostrado que numerosos nanomateriales –como los CNTs, la sílice, el grafeno, el aluminio, la plata, el nitruro de boro y muchos otros– aumentan la conductividad térmica de los fluidos de transferencia de calor. A continuación se presentan ejemplos de resultados de investigación sobre nanofluidos termoconductores preparados mediante tratamiento por ultrasonidos.

Producción de nanofluidos a base de aluminio mediante ultrasonidos

Buonomo et al. (2015) demostraron la mejora de la conductividad térmica de nanofluidos de Al2O3 preparados mediante tratamiento por ultrasonidos.
Para dispersar uniformemente las nanopartículas de Al2O3 en agua, los investigadores utilizaron el sonicador de tipo sonda UP400S de Hielscher. Las partículas de aluminio desaglomeradas y dispersadas mediante ultrasonidos dieron como resultado un tamaño de partícula de aprox. 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 la del 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 de solo aproximadamente el 0,57%, pero a 65 °C este valor aumenta hasta aproximadamente el 8%. Con una concentración en volumen 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]

Producción de nanofluidos a base de nitruro de boro mediante sonicación

Ilhan et al. (2016) investigaron la conductividad térmica de nanofluidos a base de 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 mediante un método de dos etapas que incluye tratamiento por ultrasonidos y tensioactivos como el dodecilsulfato de sodio (SDS) y la polivinilpirrolidona (PVP). El nanofluido de hBN–agua dispersado mediante ultrasonidos muestra un aumento significativo de la conductividad térmica incluso con concentraciones de partículas muy diluidas. La sonicación con el sonicador de tipo sonda UP400S redujo el tamaño medio de partícula de los agregados hasta el intervalo de 40–60 nm. Los investigadores concluyen que los agregados grandes y densos de nitruro de boro, observados en estado seco sin tratar, se rompen mediante el tratamiento por ultrasonidos y la adición de tensioactivos. Esto convierte la dispersión ultrasónica en un método eficaz para preparar nanofluidos a base de agua con distintas concentraciones de partículas.
[cf. Ilhan et al., 2016]

«El tratamiento por ultrasonidos es el proceso más utilizado en la literatura para aumentar la estabilidad de los nanofluidos.» [Ilhan et al., 2016] También en la producción industrial, la sonicación es actualmente la técnica más eficaz, fiable y económica para obtener nanofluidos estables a largo plazo y de rendimiento excepcional.

Sonicadores industriales para la producción de refrigerantes

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