Coolants Based on Thermoconductive Nanofluids
I nanofluidi sintetizzati a ultrasuoni sono efficienti refrigeranti e liquidi per scambiatori di calore. I nanomateriali termoconduttivi aumentano notevolmente la capacità di trasferimento e dissipazione del calore. La sonicazione è ben consolidata nella sintesi e nella funzionalizzazione di nanoparticelle termoconduttive e nella produzione di nanofluidi stabili ad alte prestazioni per applicazioni di raffreddamento.
Effetti nanofluidici sulle prestazioni termoidrauliche
La conducibilità termica di un materiale misura la sua capacità di condurre il calore. Per i refrigeranti e i fluidi per il trasferimento di calore (chiamati anche fluidi termici o oli termici), si desidera un'elevata conduttività termica. Numerosi nanomateriali offrono grandi proprietà termoconduttive. Per sfruttare la superiore conducibilità termica dei nanomateriali, si utilizzano i cosiddetti nanofluidi come liquidi refrigeranti. Un nanofluido è un fluido in cui particelle di dimensioni nanometriche sono sospese in un fluido di base come acqua, glicole o olio, dove formano una soluzione colloidale. I nanofluidi possono aumentare significativamente la conduttività termica rispetto ai liquidi senza nanoparticelle o con particelle più grandi. Il materiale, le dimensioni, la viscosità, la carica superficiale e la stabilità del fluido delle nanoparticelle disperse influenzano in modo significativo le prestazioni termiche dei nanofluidi. I nanofluidi stanno rapidamente guadagnando importanza nelle applicazioni di trasferimento di calore, poiché mostrano prestazioni di trasferimento di calore superiori rispetto ai fluidi di base convenzionali.
La dispersione a ultrasuoni è una tecnica altamente efficiente, affidabile e consolidata a livello industriale per produrre nanofluidi con capacità di trasferimento del calore ad alte prestazioni.
UP400St, un potente processore a ultrasuoni da 400W per la produzione di nanofluidi con una conducibilità termica superiore.
- un elevato rapporto superficie/volume per tassi di trasferimento di energia e massa significativamente più elevati
- massa ridotta per un'ottima stabilità colloidale
- bassa inerzia, che riduce al minimo l'erosione
Queste caratteristiche legate alle dimensioni nanometriche conferiscono ai nanofluidi un'eccezionale conduttività termica. La dispersione a ultrasuoni è la tecnica più efficiente per produrre nanoparticelle e nanofluidi funzionalizzati.
Nanofluidi prodotti a ultrasuoni con una conducibilità termica superiore
Numerosi nanomateriali – come CNT, silice, grafene, alluminio, argento, nitruro di boro e molti altri. – hanno già dimostrato di aumentare la conducibilità termica dei fluidi per il trasferimento di calore. Di seguito sono riportati alcuni risultati esemplari della ricerca sui nanofluidi termoconduttivi preparati con gli ultrasuoni.
Produzione di nanofluidi a base di alluminio con gli ultrasuoni
Buonomo et al. (2015) hanno dimostrato il miglioramento della conducibilità termica dei nanofluidi di Al2O3, preparati con ultrasuoni.
Per disperdere uniformemente le nanoparticelle di Al2O3 nell'acqua, i ricercatori hanno utilizzato l'ultrasuonatore UP400S a sonda di Hielscher. Le particelle di alluminio deagglomerate e disperse a ultrasuoni hanno raggiunto una dimensione di circa 120 nm per tutti i nanofluidi. – indipendentemente dalla concentrazione di particelle. La conduttività termica dei nanofluidi aumenta a temperature più elevate rispetto all'acqua pura. Con una concentrazione di particelle di Al2O3 dello 0,5% a temperatura ambiente di 25°C, l'aumento della conduttività termica è solo dello 0,57% circa, ma a 65°C questo valore aumenta fino all'8% circa. Per una concentrazione in volume del 4%, l'aumento passa dal 7,6% al 14,4% con l'aumento della temperatura da 25°C a 65°C.
[cfr. Buonomo et al., 2015].
Distribuzione granulometrica di nanofluidi a base d'acqua con varie concentrazioni di nitruro di boro dopo l'ultrasuonizzazione con UP400S (a) 0,1% hBN, (b) 0,5% hBN, (c) 2% hBN
(Studio e grafici: © Ilhan et al., 2016)
Produzione di nanofluidi a base di nitruro di boro mediante sonicazione
Ilhan et al. (2016) hanno studiato la conducibilità termica di nanofluidi a base di nitruro di boro esagonale (hBN). A tal fine, una serie di nanofluidi stabili e ben dispersi, contenenti nanoparticelle di hBN con un diametro medio di 70 nm, sono stati prodotti con un metodo a due fasi che prevede l'uso di ultrasuoni e tensioattivi come il sodio dodecil solfato (SDS) e il polivinil pirrolidone (PVP). Il nanofluido hBN-acqua disperso a ultrasuoni mostra un significativo aumento della conduttività termica anche per concentrazioni di particelle molto diluite. La sonicazione con l'ultrasuonatore a sonda UP400S ha ridotto la dimensione media delle particelle degli aggregati fino a 40-60 nm. I ricercatori concludono che gli aggregati di nitruro di boro grandi e densi, osservati allo stato secco non trattato, si rompono con il processo di ultrasuoni e l'aggiunta di tensioattivi. Ciò rende la dispersione a ultrasuoni un metodo efficace per la preparazione di nanofluidi a base di acqua con varie concentrazioni di particelle.
[cfr. Ilhan et al., 2016].
Immagine STEM che mostra la morfologia di un nanofluido a base di glicole etilenico (EG) disperso a ultrasuoni con una concentrazione in volume di particelle dello 0,5%.
(Studio e grafici: © Ilhan et al., 2016)
“L'ultrasonicazione è il processo più utilizzato in letteratura per aumentare la stabilità dei nanofluidi.” [Anche nella produzione industriale, la sonicazione è oggi la tecnica più efficace, affidabile ed economica per ottenere nanofluidi stabili a lungo termine e dalle prestazioni eccezionali.
Ultrasuonatori industriali per la produzione di refrigeranti
Scientificamente provata, industrialmente consolidata – Ultrasuonatori Hielscher per la produzione di nanofluidi
I dispersori a ultrasuoni ad alto taglio sono macchine affidabili per la produzione continua di refrigeranti e fluidi per il trasferimento di calore ad alte prestazioni. La miscelazione a ultrasuoni è nota per la sua efficienza e affidabilità. – anche in condizioni di miscelazione difficili.
Le apparecchiature Hielscher Ultrasonics consentono di preparare nanofluidi atossici, non pericolosi e, in alcuni casi, anche di tipo alimentare. Allo stesso tempo, tutti i nostri ultrasonici sono altamente efficienti, affidabili, sicuri da usare e molto robusti. Costruiti per funzionare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, anche i nostri ultrasonici da banco e di medie dimensioni sono in grado di produrre volumi notevoli.
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La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| 1 - 500mL | 10 - 200mL/min | UP100H |
| 10 - 2000mL | 20 - 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 - 20L | 0,2 - 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 - 100L | 2 - 10L/min | UIP4000hdt |
| Da 15 a 150L | Da 3 a 15L/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 - 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | più grande | cluster di UIP16000 |
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Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsione ed estrazione su scala di laboratorio, pilota e industriale.
Letteratura / Riferimenti
- 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.
Particolarità / Cose da sapere
Perché i nanofluidi sono utili per le applicazioni di raffreddamento e trasferimento di calore?
Una nuova classe di refrigeranti è costituita dai nanofluidi, che consistono in un fluido di base (ad esempio, l'acqua) che funge da liquido vettore per particelle di dimensioni nanometriche. Le nanoparticelle appositamente progettate (ad esempio CuO di dimensioni nanometriche, biossido di titanio e allumina, nanotubi di carbonio, silice o metalli come rame e nanorods d'argento) disperse nel fluido di base possono aumentare significativamente la capacità di trasferimento del calore del nanofluido risultante. Ciò rende i nanofluidi straordinari liquidi refrigeranti ad alte prestazioni.
L'uso di nanofluidi specificamente prodotti contenenti nanoparticelle termoconduttive consente di migliorare significativamente il trasferimento e la dissipazione del calore; ad esempio, i nanorods d'argento di 55±12 nm di diametro e 12,8 µm di lunghezza media a 0,5 vol. aumentano la conduttività termica dell'acqua del 68% e 0,5 vol. di nanorods d'argento aumentano la conduttività termica del refrigerante a base di glicole etilenico del 98%. Le nanoparticelle di allumina allo 0,1% possono aumentare il flusso di calore critico dell'acqua fino al 70%; le particelle formano una superficie porosa ruvida sull'oggetto raffreddato, che favorisce la formazione di nuove bolle, e la loro natura idrofila contribuisce a spingerle via, ostacolando la formazione dello strato di vapore. I nanofluidi con una concentrazione superiore al 5% agiscono come fluidi non newtoniani. (cfr. Oldenburg et al., 2007)
L'aggiunta di nanoparticelle metalliche ai refrigeranti utilizzati nei sistemi di controllo termico può aumentare notevolmente la conduttività termica del fluido di base. Questi materiali compositi nanoparticelle metalliche-fluido sono chiamati nanofluidi e il loro uso come refrigeranti ha il potenziale di ridurre il peso e i requisiti di potenza dei sistemi di controllo termico dei veicoli spaziali. La conduttività termica dei nanofluidi dipende dalla concentrazione, dalle dimensioni, dalla forma, dalla chimica della superficie e dallo stato di aggregazione delle nanoparticelle costituenti. Sono stati studiati gli effetti della concentrazione di carico delle nanoparticelle e del rapporto d'aspetto delle nanoparticelle sulla conduttività termica e sulla viscosità dei refrigeranti a base di acqua e glicole etilenico. I nanorods d'argento con un diametro di 55 ± 12 nm e una lunghezza media di 12,8 ± 8,5 μm a una concentrazione dello 0,5% in volume hanno aumentato la conduttività termica dell'acqua del 68%. La conducibilità termica di un refrigerante a base di glicole etilenico è stata aumentata del 98% con una concentrazione di nanorod d'argento pari allo 0,5% in volume. I nanorods più lunghi hanno avuto un effetto maggiore sulla conduttività termica rispetto a quelli più corti, a parità di densità di carico. Tuttavia, i nanorods più lunghi hanno anche aumentato la viscosità del fluido di base in misura maggiore rispetto ai nanorods più corti.
(Oldenburg et al., 2007)
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensioni industriali.