Liquides de refroidissement à base de nanofluides thermoconducteurs
Les nanofluides synthétisés par ultrasons sont des liquides de refroidissement et d'échange thermique efficaces. Les nanomatériaux thermoconducteurs augmentent considérablement le transfert de chaleur et la capacité 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 offrent de grandes propriétés thermo-conductrices. Afin d'utiliser la conductivité thermique supérieure des nanomatériaux, on utilise ce qu'on appelle des nanofluides comme liquides de refroidissement. Un nanofluide est un fluide dans lequel des particules de taille nanométrique sont en suspension dans un fluide de base comme l'eau, le glycol ou l'huile, où elles forment une solution colloïdale. Les nanofluides peuvent augmenter considérablement la conductivité thermique par rapport aux liquides sans nanoparticules ou aux particules plus grosses. Le matériau, la taille, la viscosité, la charge de surface et la stabilité du fluide des nanoparticules dispersées affectent considérablement les performances thermiques des nanofluides. Les nanofluides gagnent rapidement en importance dans les applications de transfert thermique car ils présentent des performances de transfert thermique supérieures à celles des fluides de base conventionnels.
La dispersion par ultrasons est une technique très efficace, fiable et bien établie dans l'industrie pour produire des nanofluides avec des capacités de transfert de chaleur très performantes.
UP400St, un processeur ultrasonique puissant de 400W pour la production de nanofluides présentant une conductivité thermique supérieure.
- un rapport surface : volume élevé pour des taux de transfert d'énergie et de masse nettement supérieurs
- faible masse pour une très bonne stabilité colloïdale
- faible inertie, ce qui minimise l'érosion
Ces caractéristiques liées à la taille nanométrique confèrent aux nanofluides leur exceptionnelle conductivité thermique. La dispersion par ultrasons 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 CNT, la silice, le graphène, l'aluminium, l'argent, le nitrure de bore et bien d'autres encore. – ont déjà prouvé leur capacité à augmenter la conductivité thermique des fluides de transfert de chaleur. Vous trouverez ci-dessous des résultats de recherche exemplaires sur les nanofluides thermoconducteurs préparés par ultrasons.
Production de nanofluides à base d'alumium par ultrasons
Buonomo et al. (2015) ont démontré l'amélioration de la conductivité thermique des nanofluides d'Al2O3, qui ont été préparés sous ultrasonication.
Afin de disperser uniformément les nanoparticules d'Al2O3 dans l'eau, les chercheurs ont utilisé l'ultrasoniseur à 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 en particules. La conductivité thermique des nanofluides a augmenté à des températures plus élevées par rapport à l'eau pure. Avec une concentration de 0,5% de particules d'Al2O3 à la température ambiante de 25°C, l'augmentation de la conductivité thermique n'est que d'environ 0,57%, mais à 65°C, cette valeur passe à environ 8%. Pour une concentration volumique de 4%, l'amélioration passe de 7,6% à 14,4% avec l'augmentation de la température de 25°C à 65°C.
[cf. Buonomo et al., 2015].
Distribution de la taille des particules des nanofluides de nitrure de bore 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). À cette fin, 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 une ultrasonication et des surfactants tels que le dodécylsulfate de sodium (SDS) et la polyvinylpyrrolidone (PVP). Le nanofluide eau-hBN dispersé par ultrasons présente une augmentation significative de la conductivité thermique, même pour des concentrations de particules très diluées. La sonication avec l'ultrasoniseur à sonde UP400S a réduit la taille moyenne des particules des agrégats à 40-60 nm. Les chercheurs concluent que les agrégats de nitrure de bore larges et denses, qui ont été observés à l'état sec non traité, sont brisés par le processus d'ultrasonication et l'ajout de surfactant. Cela fait de la dispersion par ultrasons 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] Et aussi en production industrielle, la sonication est aujourd'hui la technique la plus efficace, fiable et économique pour obtenir des nanofluides stables à long terme et aux performances exceptionnelles.
Ultrasons industriels pour la production de liquide de refroidissement
Scientifiquement prouvé, industriellement établi – Ultrasons Hielscher pour la production de nanofluides
Les disperseurs ultrasoniques à haut cisaillement sont des machines fiables pour la production continue de réfrigérants et de fluides de transfert de chaleur à haute performance. Le mélange par ultrasons est connu pour son efficacité et sa fiabilité. – même lorsque les conditions de mélange sont difficiles.
Les équipements Hielscher Ultrasonics permettent de préparer des nanofluides non toxiques, non dangereux, voire de qualité alimentaire. En même temps, tous nos ultrasons sont très efficaces, fiables, sûrs et très robustes. Construits pour fonctionner 24 heures sur 24, 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 ultrasonicators:
| lot Volume | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 1 à 500 ml | 10 à 200 ml / min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 20L | 00,2 à 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 à 100l | 2 à 10 L / min | UIP4000hdT |
| 15 à 150L | 3 à 15L/min | UIP6000hdT |
| n / a. | 10 à 100 litres / min | UIP16000 |
| n / a. | plus grand | groupe de UIP16000 |
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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 bons pour les applications de refroidissement et de transfert de chaleur ?
Les nanofluides constituent une nouvelle catégorie de liquides de refroidissement. Ils sont constitués d'un fluide de base (par exemple, l'eau), qui sert de liquide porteur pour des particules de taille nanométrique. Les nanoparticules conçues à cet effet (par exemple, CuO de taille nanométrique, dioxyde de titane d'alumine, nanotubes de carbone, silice ou métaux tels que les nanorods de cuivre ou d'argent) dispersées dans le fluide de base peuvent améliorer considérablement la capacité de transfert de chaleur du nanofluide résultant. Cela fait des nanofluides d'extraordinaires liquides de refroidissement à haute performance.
L'utilisation de nanofluides spécifiquement fabriqués contenant des nanoparticules thermoconductrices permet d'améliorer considérablement le transfert et la dissipation de la chaleur ; par exemple, des nanorobots d'argent de 55±12 nm de diamètre et de 12,8 µm de longueur moyenne à 0,5 % en volume ont augmenté la conductivité thermique de l'eau de 68 %, et 0,5 % en volume de nanorobots 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% se comportent 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-fluide sont appelés nanofluides et leur utilisation en tant que réfrigérants peut réduire le poids et les besoins en 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 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 chargement de nanorods d'argent de 0,5 % en volume. Les nanorobots plus longs ont eu un effet plus important sur la conductivité thermique que les nanorobots plus courts à la même densité de chargement. Cependant, les nanorobots plus longs ont également augmenté la viscosité du fluide de base dans une plus grande mesure que les nanorobots plus courts.
(Oldenburg et al., 2007)
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