Refrigeranti a base di nanofluidi termoconduttivi
I nanofluidi sintetizzati mediante ultrasuoni sono refrigeranti e liquidi efficienti per gli scambiatori di calore. I nanomateriali termoconduttivi aumentano significativamente la capacità di trasferimento e dissipazione del calore. La sonicazione è una tecnica consolidata per la sintesi e la funzionalizzazione di nanoparticelle termoconduttive, nonché per la produzione di nanofluidi stabili ad alte prestazioni per applicazioni di raffreddamento.
Effetti dei nanofluidi sulle prestazioni termoidrauliche
La conducibilità termica di un materiale è una misura della sua capacità di condurre il calore. Per i refrigeranti e i fluidi termovettori (detti anche fluidi termici o oli diatermici), è auspicabile un’elevata conducibilità termica. Numerosi nanomateriali offrono eccellenti 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 base, come acqua, glicole o olio, formando una soluzione colloidale. I nanofluidi possono presentare una conducibilità termica significativamente maggiore rispetto ai liquidi privi di nanoparticelle o di particelle più grandi. Il materiale, le dimensioni, la viscosità, la carica superficiale e la stabilità nel fluido delle nanoparticelle disperse influiscono significativamente sulle prestazioni termiche dei nanofluidi. I nanofluidi stanno rapidamente acquisendo importanza nelle applicazioni di trasferimento del calore, poiché offrono prestazioni superiori rispetto ai fluidi base convenzionali.
La dispersione a ultrasuoni è una tecnica altamente efficiente, affidabile e consolidata a livello industriale per produrre nanofluidi con elevate capacità di trasferimento del calore.
- un elevato rapporto superficie : volume per velocità di trasferimento di energia e massa significativamente maggiori
- una massa ridotta per un’ottima stabilità colloidale
- una bassa inerzia, che riduce al minimo l’erosione
Queste caratteristiche legate alle dimensioni nanometriche conferiscono ai nanofluidi la loro eccezionale conducibilità termica. La dispersione a ultrasuoni è la tecnica più efficiente per produrre nanoparticelle funzionalizzate e nanofluidi.
Nanofluidi prodotti mediante ultrasuoni con conducibilità termica superiore
È già stato dimostrato che numerosi nanomateriali – come CNT, silice, grafene, alluminio, argento, nitruro di boro e molti altri – aumentano la conducibilità termica dei fluidi termovettori. Di seguito sono riportati alcuni risultati di ricerca esemplificativi sui nanofluidi termoconduttivi preparati mediante trattamento a ultrasuoni.
Produzione di nanofluidi a base di alluminio mediante ultrasuoni
Buonomo et al. (2015) hanno dimostrato il miglioramento della conducibilità termica dei nanofluidi di Al2O3 preparati mediante trattamento a ultrasuoni.
Per disperdere uniformemente le nanoparticelle di Al2O3 nell’acqua, i ricercatori hanno utilizzato il sonicatore a sonda Hielscher UP400S. Le particelle di alluminio deagglomerate e disperse mediante ultrasuoni presentavano dimensioni di circa 120 nm in tutti i nanofluidi – indipendentemente dalla concentrazione delle particelle. La conducibilità termica dei nanofluidi aumentava alle temperature più elevate rispetto a quella dell’acqua pura. Con una concentrazione di particelle di Al2O3 dello 0,5% alla temperatura ambiente di 25°C, l’aumento della conducibilità termica è solo di circa lo 0,57%, ma a 65°C questo valore sale a circa l’8%. Per una concentrazione volumetrica del 4%, l’incremento passa dal 7,6% al 14,4% con l’aumento della temperatura da 25°C a 65°C.
[cfr. Buonomo et al., 2015]
Distribuzione delle dimensioni delle particelle nei nanofluidi acquosi di nitruro di boro con diverse concentrazioni di nitruro di boro dopo il trattamento a ultrasuoni 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 dei nanofluidi a base di nitruro di boro esagonale (hBN). A questo scopo viene prodotta una serie di nanofluidi stabili e ben dispersi, contenenti nanoparticelle di hBN con un diametro medio di 70 nm, mediante un metodo in due fasi che prevede il trattamento a ultrasuoni e l’impiego di tensioattivi come il dodecilsolfato di sodio (SDS) e il polivinilpirrolidone (PVP). Il nanofluido hBN–acqua disperso mediante ultrasuoni mostra un aumento significativo della conducibilità termica anche a concentrazioni di particelle molto basse. La sonicazione con il sonicatore a sonda UP400S ha ridotto le dimensioni medie degli aggregati all’intervallo di 40–60 nm. I ricercatori concludono che gli aggregati grandi e densi di nitruro di boro, osservati allo stato secco non trattato, vengono disgregati dal trattamento a ultrasuoni e dall’aggiunta di tensioattivi. Ciò rende la dispersione a ultrasuoni un metodo efficace per la preparazione di nanofluidi acquosi con diverse concentrazioni di particelle.
[cfr. Ilhan et al., 2016]
Immagine STEM che mostra la morfologia di un nanofluido di hBN a base di glicole etilenico (EG), disperso mediante ultrasuoni, con una concentrazione volumetrica delle particelle dello 0,5%.
(Studio e grafici: © Ilhan et al., 2016)
“Il trattamento a ultrasuoni è il processo più utilizzato nella letteratura scientifica per aumentare la stabilità dei nanofluidi.” [Ilhan et al., 2016] Anche nella produzione industriale, la sonicazione è oggi la tecnica più efficace, affidabile ed economica per ottenere nanofluidi stabili a lungo termine con prestazioni eccezionali.
Sonicatori industriali per la produzione di refrigeranti
Scientificamente comprovati, consolidati a livello industriale – Sonicatori Hielscher per la produzione di nanofluidi
I dispersori a ultrasuoni ad alto taglio sono macchine affidabili per la produzione continua di refrigeranti e fluidi termovettori ad alte prestazioni. La miscelazione mediante ultrasuoni è nota per la sua efficienza e affidabilità – anche in condizioni di miscelazione impegnative.
Le apparecchiature Hielscher Ultrasonics consentono di preparare nanofluidi non tossici, non pericolosi e, in alcuni casi, persino di grado alimentare. Al contempo, tutti i nostri sonicatori sono altamente efficienti, affidabili, sicuri da utilizzare e molto robusti. Progettati per il funzionamento 24/7, anche i nostri sonicatori da banco e di medie dimensioni sono in grado di produrre volumi considerevoli.
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La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:
| Volume del lotto | Portata | Dispositivi consigliati |
|---|---|---|
| da 1 a 500mL | da 10 a 200mL/min | UP100H |
| da 10 a 2000mL | da 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| da 0,1 a 20L | da 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| da 10 a 100L | da 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| da 15 a 150L | da 3 a 15L/min | UIP6000hdT |
| non applicabile | da 10 a 100L/min | UIP16000 |
| non applicabile | superiore | gruppo di UIP16000 |
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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.
Informazioni utili
Perché i nanofluidi sono adatti alle applicazioni di raffreddamento e trasferimento del calore?
I nanofluidi costituiscono una nuova classe di refrigeranti composta da un fluido base (ad esempio acqua), che funge da liquido vettore per particelle di dimensioni nanometriche. Nanoparticelle appositamente progettate (ad esempio CuO di dimensioni nanometriche, allumina diossido di titanio, nanotubi di carbonio, silice o metalli come rame e nanobarre di argento), disperse nel fluido base, possono aumentare significativamente la capacità di trasferimento del calore del nanofluido risultante. Ciò rende i nanofluidi liquidi refrigeranti dalle prestazioni straordinariamente elevate.
L’impiego di nanofluidi appositamente prodotti contenenti nanoparticelle termoconduttive consente miglioramenti significativi nel trasferimento e nella dissipazione del calore; ad esempio, nanobarre di argento con un diametro di 55±12 nm e una lunghezza media di 12,8 µm, allo 0,5 vol.%, hanno aumentato la conducibilità termica dell’acqua del 68%, mentre lo 0,5 vol.% di nanobarre di argento ha aumentato del 98% la conducibilità termica di un refrigerante a base di glicole etilenico. Le nanoparticelle di allumina allo 0,1% possono aumentare il flusso termico critico dell’acqua fino al 70%; le particelle formano una superficie ruvida e porosa sull’oggetto raffreddato, favorendo la formazione di nuove bolle, e la loro natura idrofila contribuisce poi ad allontanarle, ostacolando la formazione dello strato di vapore. Un nanofluido con una concentrazione superiore al 5% si comporta come un fluido non newtoniano. (cfr. (Oldenburg et al., 2007)
L’aggiunta di nanoparticelle metalliche ai refrigeranti utilizzati nei sistemi di controllo termico può aumentare drasticamente la conducibilità termica del fluido base. Questi materiali compositi costituiti da nanoparticelle metalliche e fluido sono chiamati nanofluidi e il loro utilizzo come refrigeranti può potenzialmente ridurre il peso e il fabbisogno di potenza dei sistemi di controllo termico dei veicoli spaziali. La conducibilità termica dei nanofluidi dipende dalla concentrazione, dalle dimensioni, dalla forma, dalla chimica superficiale e dallo stato di aggregazione delle nanoparticelle che li costituiscono. Sono stati studiati gli effetti della concentrazione delle nanoparticelle aggiunte e del loro rapporto d’aspetto sulla conducibilità termica e sulla viscosità dei refrigeranti a base di acqua e glicole etilenico. Nanobarre di 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 conducibilità termica dell’acqua del 68%. La conducibilità termica di un refrigerante a base di glicole etilenico è aumentata del 98% con una concentrazione di nanobarre di argento aggiunte dello 0,5% in volume. A parità di densità di carico, le nanobarre più lunghe hanno avuto un effetto maggiore sulla conducibilità termica rispetto a quelle più corte. Tuttavia, le nanobarre più lunghe hanno anche aumentato la viscosità del fluido base in misura maggiore rispetto a quelle più corte.
(Oldenburg et al., 2007)
Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni dalla scala di laboratorio alla scala industriale.