Rashladna sredstva na bazi termovodljivih nanofluida
Nanofluidi sintetizirani ultrazvukom učinkovita su sredstva za hlađenje i tekućine za izmjenjivače topline. Termovodljivi nanomaterijali značajno povećavaju kapacitet prijenosa topline i disipacije topline. Sonikacija je dobro uspostavljena u sintezi i funkcionalizaciji termovodljivih nanočestica, kao iu proizvodnji stabilnih nanofluida visokih performansi za rashladne primjene.
Nanofluidički učinci na termohidrauličku izvedbu
Toplinska vodljivost materijala je mjera njegove sposobnosti provođenja topline. Za rashladna sredstva i tekućinu za prijenos topline (također nazvanu toplinska tekućina ili termalno ulje) poželjna je visoka toplinska vodljivost. Brojni nanomaterijali nude izvrsna svojstva toplinske vodljivosti. Kako bi se iskoristila vrhunska toplinska vodljivost nanomaterijala, kao rashladne tekućine koriste se tzv. nanofluidi. Nanofluidi su tekućine u kojima su čestice nanometarske veličine suspendirane u osnovnoj tekućini poput vode, glikola ili ulja, gdje tvore koloidnu otopinu. Nanofluidi mogu značajno povećati toplinsku vodljivost u usporedbi s tekućinama bez nanočestica ili većih čestica. Materijal, veličina, viskoznost, površinski naboj i stabilnost tekućine raspršenih nanočestica značajno utječu na toplinsku izvedbu nanofluida. Nanofluidi brzo dobivaju na važnosti u primjenama prijenosa topline budući da pokazuju superiorne performanse prijenosa topline u usporedbi s konvencionalnim baznim tekućinama.
Ultrazvučna disperzija je vrlo učinkovita, pouzdana i industrijski etablirana tehnika za proizvodnju nanofluida s visokoučinkovitim kapacitetom prijenosa topline.
UP400St, snažan ultrazvučni procesor od 400 W za proizvodnju nanofluida vrhunske toplinske vodljivosti.
- visok omjer površina : volumen za značajno veće brzine prijenosa energije i mase
- mala masa za vrlo dobru koloidnu stabilnost
- niska inercija, što smanjuje eroziju
Ove karakteristike povezane s nano veličinom daju nanofluidima njihovu iznimnu toplinsku vodljivost. Ultrazvučna disperzija je najučinkovitija tehnika za proizvodnju funkcionaliziranih nanočestica i nanofluida.
Ultrazvučno proizvedene nanofluide s vrhunskom toplinskom vodljivošću
Brojni nanomaterijali – kao što su CNT, silicij, grafen, aluminij, srebro, borov nitrid i mnogi drugi – već je dokazano da povećavaju toplinsku vodljivost tekućina za prijenos topline. U nastavku možete pronaći uzorne rezultate istraživanja za termovodljive nanofluide pripremljene ultrazvučnom obradom.
Proizvodnja nanofluida na bazi aluminija s ultrazvukom
Buonomo i sur. (2015) pokazali su poboljšanu toplinsku vodljivost Al2O3 nanofluida, koji su pripremljeni pod ultrazvučnom obradom.
Kako bi se nanočestice Al2O3 ravnomjerno raspršile u vodi, istraživači su koristili ultrazvučni uređaj tipa Hielscher sonde UP400S. Ultrazvučno deaglomerirane i raspršene čestice aluminija dale su veličinu čestica od cca. 120 nm za sve nanofluide – neovisno o koncentraciji čestica. Toplinska vodljivost nanofluida se povećavala na višim temperaturama u usporedbi s čistom vodom. S koncentracijom čestica Al2O3 od 0,5% na sobnoj temperaturi od 25°C povećanje toplinske vodljivosti iznosi samo oko 0,57%, ali na 65°C ta se vrijednost povećava na oko 8%. Za volumnu koncentraciju od 4% povećanje ide od 7,6% do 14,4% s porastom temperature od 25°C do 65°C.
[usp. Buonomo i sur., 2015.]
Raspodjela veličine čestica nanofluida bor nitrida na bazi vode s različitim koncentracijama bor nitrida nakon ultrazvučne obrade s UP400S (a) 0,1% hBN, (b) 0,5% hBN, (c) 2% hBN
(Studija i grafikoni: © Ilhan et al., 2016.)
Proizvodnja nanofluida na bazi borovog nitrida korištenjem sonikacije
Ilhan i sur. (2016.) istraživali su toplinsku vodljivost nanofluida na bazi heksagonalnog bor nitrida (hBN). U tu svrhu niz dobro dispergiranih, stabilnih nanofluida, koji sadrže hBN nanočestice srednjeg promjera od 70 nm, proizvodi se metodom u dva koraka koja uključuje ultrazvučnu obradu i površinski aktivne tvari kao što su natrijev dodecil sulfat (SDS) i polivinil pirolidon (PVP). Ultrazvučno raspršena nanofluid hBN-voda pokazuje značajno povećanje toplinske vodljivosti čak i za vrlo razrijeđene koncentracije čestica. Sonikacija s ultrazvučnim uređajem tipa sonde UP400S smanjila je prosječnu veličinu čestica agregata na raspon od 40–60 nm. Istraživači zaključuju da su veliki i gusti agregati bor nitrida, koji su promatrani u netretiranom suhom stanju, razbijeni postupkom ultrazvučne obrade i dodatkom površinski aktivne tvari. To čini ultrazvučnu disperziju učinkovitom metodom za pripremu nanofluida na bazi vode s različitim koncentracijama čestica.
[usp. Ilhan i sur., 2016.]
STEM slika koja prikazuje morfologiju ultrazvučno raspršenog hBN nanofluida na bazi etilen glikola (EG) s koncentracijom volumena čestica od 0,5%.
(Studija i grafikoni: © Ilhan et al., 2016.)
“Ultrasonication je najčešće korišten proces u literaturi za povećanje stabilnosti nanofluida.” [Ilhan et al., 2016.] I također u industrijskoj proizvodnji, sonikacija je danas najučinkovitija, najpouzdanija i najekonomičnija tehnika za dobivanje dugoročno stabilnih nanofluida izvanrednih performansi.
Industrijski ultrazvučni uređaji za proizvodnju rashladne tekućine
Znanstveno dokazano, industrijski etablirano – Hielscher Ultrasonicators za proizvodnju nanofluida
Ultrazvučni raspršivači visokog smicanja pouzdani su strojevi za kontinuiranu proizvodnju visokoučinkovitih rashladnih tekućina i tekućina za prijenos topline. Ultrazvučno pokretano miješanje poznato je po svojoj učinkovitosti i pouzdanosti – čak i kada se primjenjuju zahtjevni uvjeti miješanja.
Hielscher Ultrasonics oprema omogućuje pripremu neotrovnih, bezopasnih, nekih čak i prehrambenih nanotekućina. U isto vrijeme, svi naši ultrazvučni uređaji vrlo su učinkoviti, pouzdani, sigurni za rad i vrlo robusni. Napravljeni za rad 24/7, čak i naši stolni i ultrazvučni uređaji srednje veličine mogu proizvesti nevjerojatne količine.
Pročitajte više o ultrazvučnoj proizvodnji nanofluida ili nas odmah kontaktirajte kako biste dobili detaljne konzultacije i besplatan prijedlog za ultrazvučni raspršivač!
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15L/min | UIP6000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvodi visokoučinkovite ultrazvučne homogenizatore za aplikacije miješanja, disperziju, emulzifikaciju i ekstrakciju u laboratorijskim, pilotskim i industrijskim razmjerima.
Literatura / Reference
- 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.
Činjenice koje vrijedi znati
Zašto su nanofluidi dobri za hlađenje i prijenos topline?
Nova klasa rashladnih tekućina su nanofluidi koji se sastoje od bazne tekućine (npr. vode), koja djeluje kao tekućina nosač za čestice nano veličine. Namjenski dizajnirane nanočestice (npr. CuO nano veličine, aluminijev oksid, titanov dioksid, ugljikove nanocijevi, silicij ili metali poput bakra, srebrnih nanoštapića) raspršene u osnovnoj tekućini mogu značajno povećati kapacitet prijenosa topline rezultirajuće nanofluide. To čini nanofluide izvanrednim rashladnim tekućinama visokih performansi.
Korištenje posebno proizvedenih nanofluida koji sadrže termovodljive nanočestice omogućuju značajna poboljšanja u prijenosu i rasipanju topline; npr. srebrne nanoštapiće promjera 55±12 nm i prosječne duljine 12,8 µm pri 0,5 vol.% povećale su toplinsku vodljivost vode za 68%, a 0,5 vol.% srebrnih nanoštapića povećale su toplinsku vodljivost rashladnog sredstva na bazi etilen glikola za 98%. Nanočestice glinice od 0,1% mogu povećati kritični toplinski tok vode za čak 70%; čestice formiraju hrapavu poroznu površinu na ohlađenom predmetu, što potiče stvaranje novih mjehurića, a njihova hidrofilna priroda zatim pomaže u njihovom guranju, sprječavajući stvaranje parnog sloja. Nanofluid s koncentracijom većom od 5% ponaša se kao ne-Newtonov fluid. (usp. (Oldenburg et al., 2007.)
Dodavanje metalnih nanočestica rashladnim tekućinama koje se koriste u sustavima toplinske kontrole može dramatično povećati toplinsku vodljivost osnovne tekućine. Takvi kompozitni materijali metalne nanočestice i tekućine nazivaju se nanofluidima, a njihova upotreba kao rashladnih sredstava ima potencijal za smanjenje zahtjeva za težinom i snagom toplinskih kontrolnih sustava svemirskih letjelica. Toplinska vodljivost nanofluida ovisi o koncentraciji, veličini, obliku, površinskom kemijskom sastavu i agregacijskom stanju sastavnih nanočestica. Istraživani su učinci koncentracije punjenja nanočestica i omjera dimenzija nanočestica na toplinsku vodljivost i viskoznost rashladnih tekućina na bazi vode i etilen glikola. Srebrne nanoštapiće promjera 55 ± 12 nm i prosječne duljine 12,8 ± 8,5 μm u koncentraciji od 0,5 % volumena povećale su toplinsku vodljivost vode za 68 %. Toplinska vodljivost rashladne tekućine na bazi etilen glikola povećana je za 98% s koncentracijom punjenja srebrne nanošipke od 0,5% volumena. Dulje nanošipke imale su veći učinak na toplinsku vodljivost nego kraće nanošipke pri istoj gustoći opterećenja. Međutim, duže nanošipke također povećavaju viskoznost osnovne tekućine u većoj mjeri od kraćih nanošipki.
(Oldenburg i sur., 2007.)
Hielscher Ultrasonics proizvodi ultrazvučne homogenizatore visokih performansi od laboratorija do industrijska veličina.