Liquides de refroidissement basés sur des nanofluides thermoconducteurs
Les nanofluides synthétisés par ultrasons sont des liquides de refroidissement et d'échange thermique efficaces. Les nanomatériaux thermoconducteurs augmentent considérablement la capacité de transfert et de dissipation de la chaleur. La sonication est bien établie dans la synthèse et la fonctionnalisation des nanoparticules thermoconductrices ainsi que dans la production de nanofluides stables et performants pour les applications de refroidissement.
Effets nanofluidiques sur les performances thermo-hydrauliques
La conductivité thermique d'un matériau est une mesure de sa capacité à conduire la chaleur. Pour les liquides de refroidissement et les fluides caloporteurs (également appelés fluides thermiques ou huiles thermiques), une conductivité thermique élevée est souhaitée. De nombreux nanomatériaux présentent d'excellentes propriétés thermoconductrices. Afin d'utiliser la conductivité thermique supérieure des nanomatériaux, des nanofluides sont utilisés comme liquides de refroidissement. Un nanofluide est un fluide dans lequel des particules de taille nanométrique sont suspendues dans un fluide de base tel que l'eau, le glycol ou l'huile, où elles forment une solution colloïdale. Les nanofluides peuvent augmenter de manière significative la conductivité thermique par rapport aux liquides sans nanoparticules ou avec des particules plus grosses. Le matériau, la taille, la viscosité, la charge de surface et la stabilité du fluide des nanoparticules dispersées influencent considérablement les performances thermiques des nanofluides. Les nanofluides gagnent rapidement en importance dans les applications de transfert de chaleur car ils présentent des performances de transfert de chaleur supérieures à celles des fluides de base conventionnels.
La dispersion ultrasonique est une technique très efficace, fiable et établie industriellement pour produire des nanofluides avec des capacités de transfert de chaleur très performantes.
UP400St, un puissant processeur à ultrasons de 400 W pour la production de nanofluides à conductivité thermique supérieure.
- un rapport surface/volume élevé pour des taux de transfert d'énergie et de masse nettement plus élevés
- faible masse pour une très bonne stabilité colloïdale
- faible inertie, ce qui minimise l'érosion
Ces caractéristiques liées à la taille des nanoparticules confèrent aux nanofluides leur conductivité thermique exceptionnelle. La dispersion ultrasonique est la technique la plus efficace pour produire des nanoparticules et des nanofluides fonctionnalisés.
Nanofluides produits par ultrasons avec une conductivité thermique supérieure
De nombreux nanomatériaux – tels que les NTC, la silice, le graphène, l'aluminium, l'argent, le nitrure de bore et bien d'autres encore – Il a déjà été prouvé que les nanofluides thermoconducteurs augmentent la conductivité thermique des fluides de transfert de chaleur. Vous trouverez ci-dessous des résultats de recherche exemplaires concernant les nanofluides thermoconducteurs préparés par ultrasons.
Production de nanofluides à base d'alumiunium par ultrasons
Buonomo et al. (2015) ont démontré l'amélioration de la conductivité thermique des nanofluides d'Al2O3, qui ont été préparés par ultrasons.
Afin de disperser uniformément les nanoparticules d'Al2O3 dans l'eau, les chercheurs ont utilisé l'appareil à ultrasons de type sonde Hielscher UP400S. Les particules d'aluminium désagglomérées et dispersées par ultrasons ont atteint une taille d'environ 120 nm pour tous les nanofluides. – indépendamment de la concentration des particules. La conductivité thermique des nanofluides augmentait à des températures plus élevées par rapport à l'eau pure. Avec une concentration de particules d'Al2O3 de 0,5 % à la température ambiante de 25 °C, l'augmentation de la conductivité thermique n'est que de 0,57 %, mais à 65 °C, cette valeur passe à environ 8 %. Pour une concentration volumique de 4 %, l'augmentation passe de 7,6 % à 14,4 % lorsque la température passe de 25 °C à 65 °C.
[cf. Buonomo et al., 2015]
Distribution de la taille des particules des nanofluides à base d'eau avec différentes concentrations de nitrure de bore après ultrasonication avec l'UP400S (a) 0,1 % hBN, (b) 0,5 % hBN, (c) 2 % hBN.
(Étude et graphiques : © Ilhan et al., 2016)
Production de nanofluides à base de nitrure de bore par sonication
Ilhan et al. (2016) ont étudié la conductivité thermique de nanofluides à base de nitrure de bore hexagonal (hBN). Pour ce faire, une série de nanofluides stables et bien dispersés, contenant des nanoparticules de hBN d'un diamètre moyen de 70 nm, sont produits avec une méthode en deux étapes impliquant des ultrasons et des tensioactifs tels que le dodécyl sulfate de sodium (SDS) et la polyvinyl pyrrolidone (PVP). Le nanofluide hBN-eau dispersé par ultrasons présente une augmentation significative de la conductivité thermique, même pour des concentrations de particules très diluées. La sonication à l'aide de l'ultrasonateur de type sonde UP400S a permis de réduire la taille moyenne des agrégats à 40-60 nm. Les chercheurs concluent que les agrégats de nitrure de bore larges et denses, observés à l'état sec non traité, sont brisés par le processus d'ultrasonication et l'ajout de surfactants. Cela fait de la dispersion ultrasonique une méthode efficace pour la préparation de nanofluides à base d'eau avec différentes concentrations de particules.
[cf. Ilhan et al., 2016]
Image STEM montrant la morphologie d'un nanofluide hBN à base d'éthylène glycol (EG) dispersé par ultrasons avec une concentration volumique de particules de 0,5 %.
(Étude et graphiques : © Ilhan et al., 2016)
“L'ultrasonication est le procédé le plus utilisé dans la littérature pour augmenter la stabilité des nanofluides.” [Ilhan et al., 2016] De même, dans la production industrielle, la sonication est aujourd'hui la technique la plus efficace, la plus fiable et la plus économique pour obtenir des nanofluides stables à long terme et aux performances exceptionnelles.
Ultrasons industriels pour la production de liquides de refroidissement
Éprouvé scientifiquement, établi industriellement – Ultrasons Hielscher pour la production de nanofluides
Les disperseurs ultrasoniques à haut cisaillement sont des machines fiables pour la production continue de liquides de refroidissement et de fluides caloporteurs de haute performance. Le mélange par ultrasons est connu pour son efficacité et sa fiabilité. – même lorsque les conditions de mélange sont difficiles.
L'équipement de Hielscher Ultrasonics permet de préparer des nanofluides non toxiques, non dangereux et parfois même de qualité alimentaire. En même temps, tous nos appareils à ultrasons sont très efficaces, fiables, sûrs et très robustes. Conçus pour fonctionner 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7, même nos ultrasons de table et de taille moyenne sont capables de produire des volumes remarquables.
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Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :
| Volume du lot | Débit | Dispositifs recommandés |
|---|---|---|
| 1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 à 20L | 0.2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 à 150L | 3 à 15L/min | UIP6000hdT |
| n.d. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | plus grande | groupe de UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons de haute performance pour les applications de mélange, de dispersion, d'émulsification et d'extraction à l'échelle du laboratoire, du pilote et de l'industrie.
Littérature / Références
- 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.
Qu'il faut savoir
Pourquoi les nanofluides sont-ils intéressants pour les applications de refroidissement et de transfert de chaleur ?
Les nanofluides constituent une nouvelle catégorie de liquides de refroidissement. Ils se composent d'un fluide de base (par exemple, l'eau) qui sert de liquide porteur pour des particules de taille nanométrique. Des nanoparticules conçues à cet effet (par exemple, des nanoparticules de CuO, d'alumine et de dioxyde de titane, des nanotubes de carbone, de la silice ou des métaux tels que le cuivre ou des nanorods d'argent) dispersées dans le fluide de base peuvent améliorer considérablement la capacité de transfert de chaleur du nanofluide résultant. Les nanofluides sont donc des liquides de refroidissement extrêmement performants.
L'utilisation de nanofluides fabriqués spécifiquement et contenant des nanoparticules thermoconductrices permet d'améliorer considérablement le transfert et la dissipation de la chaleur ; par exemple, des nanorodes d'argent d'un diamètre de 55±12 nm et d'une longueur moyenne de 12,8 µm à 0,5 % vol. ont augmenté la conductivité thermique de l'eau de 68 %, et 0,5 % vol. de nanorodes d'argent ont augmenté la conductivité thermique d'un liquide de refroidissement à base d'éthylène glycol de 98 %. Les nanoparticules d'alumine à 0,1 % peuvent augmenter le flux thermique critique de l'eau jusqu'à 70 % ; les particules forment une surface poreuse rugueuse sur l'objet refroidi, ce qui favorise la formation de nouvelles bulles, et leur nature hydrophile contribue ensuite à les repousser, empêchant la formation de la couche de vapeur. Les nanofluides dont la concentration est supérieure à 5 % agissent comme des fluides non newtoniens. (cf. (Oldenburg et al., 2007))
L'ajout de nanoparticules métalliques aux liquides de refroidissement utilisés dans les systèmes de contrôle thermique peut augmenter considérablement la conductivité thermique du fluide de base. Ces matériaux composites nanoparticules métalliques-fluides sont appelés nanofluides et leur utilisation en tant que liquides de refroidissement pourrait permettre de réduire le poids et la consommation d'énergie des systèmes de contrôle thermique des engins spatiaux. La conductivité thermique des nanofluides dépend de la concentration, de la taille, de la forme, de la chimie de surface et de l'état d'agrégation des nanoparticules qui les composent. Les effets de la concentration de chargement des nanoparticules et du rapport d'aspect des nanoparticules sur la conductivité thermique et la viscosité des liquides de refroidissement à base d'eau et d'éthylène glycol ont été étudiés. Des nanorods d'argent d'un diamètre de 55 ± 12 nm et d'une longueur moyenne de 12,8 ± 8,5 μm à une concentration de 0,5 % en volume ont augmenté la conductivité thermique de l'eau de 68 %. La conductivité thermique d'un liquide de refroidissement à base d'éthylène glycol a été augmentée de 98 % avec une concentration de nanorods d'argent de 0,5 % en volume. Les nanorods plus longs ont eu un effet plus important sur la conductivité thermique que les nanorods plus courts à la même densité de chargement. Cependant, les nanorods plus longs ont également augmenté la viscosité du fluide de base dans une plus large mesure que les nanorods plus courts.
(Oldenburg et al., 2007)
Hielscher Ultrasonics fabrique des homogénéisateurs à ultrasons très performants à partir de laboratoires à taille industrielle.