خنک‌کننده‌های مبتنی بر نانوسیالات رسانای گرما
نانوسیالات سنتزشده با فراصوت، خنک‌کننده‌ها و مایعات کارآمدی برای مبدل‌های حرارتی هستند. نانومواد رسانای گرما، ظرفیت انتقال و دفع گرما را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهند. فراصوت‌دهی روشی تثبیت‌شده برای سنتز و عامل‌دارسازی نانوذرات رسانای گرما و نیز تولید نانوسیالات پایدار با عملکرد بالا برای کاربردهای خنک‌کاری است.
اثرات نانوسیالات بر عملکرد حرارتی–هیدرولیکی
رسانندگی گرمایی یک ماده، معیاری از توانایی آن در هدایت گرما است. برای خنک‌کننده‌ها و سیالات انتقال حرارت که سیال حرارتی یا روغن حرارتی نیز نامیده می‌شوند، رسانندگی گرمایی بالا مطلوب است. بسیاری از نانومواد خواص رسانندگی گرمایی بسیار خوبی دارند. برای بهره‌گیری از رسانندگی گرمایی برتر نانومواد، از سیالاتی موسوم به نانوسیال به‌عنوان مایعات خنک‌کننده استفاده می‌شود. نانوسیال، سیالی است که در آن ذراتی با اندازه نانومتری در سیال پایه‌ای مانند آب، گلیکول یا روغن معلق هستند و محلولی کلوئیدی تشکیل می‌دهند. رسانندگی گرمایی نانوسیالات می‌تواند در مقایسه با مایعات فاقد نانوذرات یا ذرات بزرگ‌تر، به‌طور چشمگیری افزایش یابد. جنس، اندازه، گرانروی، بار سطحی و پایداری سیالی نانوذرات پراکنده‌شده، تأثیر چشمگیری بر عملکرد حرارتی نانوسیالات دارند. نانوسیالات به‌سرعت در کاربردهای انتقال حرارت اهمیت می‌یابند، زیرا در مقایسه با سیالات پایه متداول، عملکرد بهتری در انتقال حرارت نشان می‌دهند.
پراکنش فراصوتی، روشی بسیار کارآمد، قابل‌اعتماد و تثبیت‌شده در صنعت برای تولید نانوسیالات با قابلیت انتقال حرارت بسیار بالا است.
- نسبت بالای سطح به حجم برای دستیابی به نرخ‌های بسیار بالاتر انتقال انرژی و جرم
- جرم کم برای پایداری کلوئیدی بسیار خوب
- لَختی کم که فرسایش را به حداقل می‌رساند
این ویژگی‌های مرتبط با اندازه نانومتری، رسانندگی گرمایی استثنایی نانوسیالات را ایجاد می‌کنند. پراکنش فراصوتی کارآمدترین روش برای تولید نانوذرات عامل‌دارشده و نانوسیالات است.
نانوسیالات تولیدشده با فراصوت با رسانندگی گرمایی برتر
تاکنون ثابت شده است که بسیاری از نانومواد – مانند CNTs، سیلیکا، گرافن، آلومینیوم، نقره، نیترید بور و بسیاری مواد دیگر – رسانندگی گرمایی سیالات انتقال حرارت را افزایش می‌دهند. در ادامه، نمونه‌هایی از نتایج پژوهش‌ها درباره نانوسیالات رسانای گرمای تهیه‌شده با فراصوت‌دهی ارائه شده است.
تولید نانوسیال بر پایه آلومینیوم با استفاده از فراصوت
Buonomo et al. (2015) بهبود رسانندگی گرمایی نانوسیالات Al2O3 تهیه‌شده با فراصوت‌دهی را نشان دادند.
پژوهشگران برای پراکنش یکنواخت نانوذرات Al2O3 در آب، از سونیکاتور پروبی UP400S ساخت Hielscher استفاده کردند. ذرات آلومینیوم که با فراصوت کلوخه‌زدایی و پراکنده شدند، در همه نانوسیالات – مستقل از غلظت ذرات – به اندازه‌ای حدود 120 nm رسیدند. رسانندگی گرمایی نانوسیالات در مقایسه با آب خالص، در دماهای بالاتر افزایش می‌یافت. در غلظت 0٫5% ذرات Al2O3 و دمای اتاق برابر با 25°C، افزایش رسانندگی گرمایی تنها حدود 0٫57% است، اما در 65°C این مقدار به حدود 8% می‌رسد. در غلظت حجمی 4%، با افزایش دما از 25°C به 65°C، میزان بهبود از 7٫6% به 14٫4% می‌رسد.
[cf. Buonomo et al., 2015]
توزیع اندازه ذرات نانوسیالات نیترید بور بر پایه آب با غلظت‌های مختلف نیترید بور پس از فراصوت‌دهی با UP400S: (a) 0٫1% hBN، (b) 0٫5% hBN، (c) 2% hBN
(پژوهش و نمودارها: © Ilhan et al., 2016)
تولید نانوسیال بر پایه نیترید بور با استفاده از فراصوت‌دهی
Ilhan et al. (2016) رسانندگی گرمایی نانوسیالات مبتنی بر نیترید بور شش‌گوشه (hBN) را بررسی کردند. برای این منظور، مجموعه‌ای از نانوسیالات پایدار با پراکنش مناسب، حاوی نانوذرات hBN با قطر میانگین 70 nm، به روش دومرحله‌ای شامل فراصوت‌دهی و استفاده از مواد فعال سطحی مانند سدیم دودسیل سولفات (SDS) و پلی‌وینیل پیرولیدون (PVP) تولید می‌شوند. نانوسیال hBN–آب پراکنده‌شده با فراصوت، حتی در غلظت‌های بسیار رقیق ذرات نیز افزایش چشمگیری در رسانندگی گرمایی نشان می‌دهد. فراصوت‌دهی با سونیکاتور پروبی UP400S، اندازه میانگین ذرات تجمع‌یافته را تا محدوده 40–60 nm کاهش داد. پژوهشگران نتیجه می‌گیرند که تجمعات بزرگ و متراکم نیترید بور که در حالت خشک و تیمارنشده مشاهده شدند، با فرایند فراصوت‌دهی و افزودن ماده فعال سطحی شکسته می‌شوند. در نتیجه، پراکنش فراصوتی روشی مؤثر برای تهیه نانوسیالات بر پایه آب با غلظت‌های مختلف ذرات است.
[cf. Ilhan et al., 2016]
تصویر STEM که ریخت‌شناسی نانوسیال hBN بر پایه اتیلن گلیکول (EG)، پراکنده‌شده با فراصوت و دارای غلظت حجمی ذرات 0٫5% را نشان می‌دهد.
(پژوهش و نمودارها: © Ilhan et al., 2016)
«فراصوت‌دهی پرکاربردترین فرایند گزارش‌شده در متون علمی برای افزایش پایداری نانوسیالات است.» [Ilhan et al., 2016] همچنین در تولید صنعتی، امروزه فراصوت‌دهی مؤثرترین، قابل‌اعتمادترین و اقتصادی‌ترین روش برای دستیابی به نانوسیالاتی با پایداری بلندمدت و عملکرد ممتاز است.
سونیکاتورهای صنعتی برای تولید خنک‌کننده
اثبات‌شده از نظر علمی، تثبیت‌شده در صنعت – سونیکاتورهای Hielscher برای تولید نانوسیال
دستگاه‌های پراکنش فراصوتی با برش بالا، ماشین‌هایی قابل‌اعتماد برای تولید پیوسته خنک‌کننده‌ها و سیالات انتقال حرارت با عملکرد بالا هستند. اختلاط با نیروی فراصوت به کارایی و قابلیت اعتماد خود شناخته می‌شود – حتی در شرایط دشوار اختلاط.
تجهیزات Hielscher Ultrasonics امکان تهیه نانوسیالات غیرسمی، غیرخطرناک و حتی در برخی موارد با گرید غذایی را فراهم می‌کنند. در عین حال، همه سونیکاتورهای ما بسیار کارآمد، قابل‌اعتماد، ایمن در بهره‌برداری و بسیار مستحکم هستند. دستگاه‌های ما برای کارکرد 24/7 ساخته شده‌اند و حتی سونیکاتورهای رومیزی و متوسط ما نیز قادر به تولید حجم‌های قابل‌توجهی هستند.
درباره تولید نانوسیالات با فراصوت بیشتر بخوانید یا همین حالا با ما تماس بگیرید تا مشاوره‌ای جامع و پیشنهاد رایگانی برای یک دستگاه پراکنش فراصوتی دریافت کنید!
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی پردازش سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 تا 150L | 3 تا 15L/min | UIP6000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از دستگاه‌های UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را برای کاربردهای اختلاط، پراکنش، امولسیون‌سازی و استخراج در مقیاس آزمایشگاهی، پایلوت و صنعتی تولید می‌کند.
منابع علمی / مراجع
- 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.
دانستنی‌های مفید
چرا نانوسیالات برای کاربردهای خنک‌کاری و انتقال حرارت مناسب هستند؟
نانوسیالات دسته جدیدی از خنک‌کننده‌ها هستند که از یک سیال پایه (مثلاً آب) تشکیل می‌شوند؛ این سیال نقش مایع حامل ذرات نانومتری را دارد. نانوذرات طراحی‌شده برای اهداف مشخص (مانند CuO نانومتری، آلومینا دی‌اکسید تیتانیوم، نانولوله‌های کربنی، سیلیکا یا فلزاتی مانند مس و نانومیله‌های نقره) که در سیال پایه پراکنده شده‌اند، می‌توانند ظرفیت انتقال حرارت نانوسیال حاصل را به‌طور چشمگیری افزایش دهند. این امر نانوسیالات را به مایعات خنک‌کننده‌ای با عملکرد فوق‌العاده بالا تبدیل می‌کند.
استفاده از نانوسیالاتی که به‌طور ویژه تولید شده‌اند و حاوی نانوذرات رسانای گرما هستند، بهبود چشمگیری در انتقال و دفع گرما ایجاد می‌کند؛ برای مثال، نانومیله‌های نقره با قطر 55±12 nm و طول میانگین 12٫8 µm در غلظت 0٫5 vol.%، رسانندگی گرمایی آب را 68% افزایش دادند و 0٫5 vol.% نانومیله نقره، رسانندگی گرمایی خنک‌کننده بر پایه اتیلن گلیکول را 98% افزایش داد. نانوذرات آلومینا در غلظت 0٫1% می‌توانند شار حرارتی بحرانی آب را تا 70% افزایش دهند؛ ذرات، سطحی زبر و متخلخل بر روی جسم تحت خنک‌کاری ایجاد می‌کنند که تشکیل حباب‌های جدید را تسهیل می‌کند و سپس ماهیت آب‌دوست آن‌ها به دور شدن حباب‌ها کمک می‌کند و مانع تشکیل لایه بخار می‌شود. نانوسیال با غلظت بیش از 5% مانند سیالات غیرنیوتنی رفتار می‌کند. (رجوع کنید به (Oldenburg et al., 2007)
افزودن نانوذرات فلزی به خنک‌کننده‌های مورد استفاده در سامانه‌های کنترل حرارتی می‌تواند رسانندگی گرمایی سیال پایه را به‌شدت افزایش دهد. این مواد مرکب نانوذره فلزی–سیال، نانوسیال نامیده می‌شوند و استفاده از آن‌ها به‌عنوان خنک‌کننده می‌تواند وزن و توان مورد نیاز سامانه‌های کنترل حرارتی فضاپیما را کاهش دهد. رسانندگی گرمایی نانوسیالات به غلظت، اندازه، شکل، شیمی سطح و وضعیت تجمع نانوذرات تشکیل‌دهنده وابسته است. اثرات غلظت بارگذاری نانوذرات و نسبت ابعادی آن‌ها بر رسانندگی گرمایی و گرانروی خنک‌کننده‌های بر پایه آب و اتیلن گلیکول بررسی شد. نانومیله‌های نقره با قطر 55 ± 12 nm و طول میانگین 12٫8 ± 8٫5 μm در غلظت حجمی 0٫5%، رسانندگی گرمایی آب را 68% افزایش دادند. رسانندگی گرمایی خنک‌کننده بر پایه اتیلن گلیکول با غلظت بارگذاری حجمی 0٫5% نانومیله نقره، 98% افزایش یافت. در چگالی بارگذاری یکسان، نانومیله‌های بلندتر نسبت به نانومیله‌های کوتاه‌تر تأثیر بیشتری بر رسانندگی گرمایی داشتند. با این حال، نانومیله‌های بلندتر گرانروی سیال پایه را نیز بیش از نانومیله‌های کوتاه‌تر افزایش دادند.
(Oldenburg et al., 2007)
Hielscher Ultrasonics هموژنایزرهای فراصوتی با عملکرد بالا را در مقیاس‌های آزمایشگاهی تا صنعتی تولید می‌کند.