열전도성 나노유체를 기반으로 하는 냉각수
초음파로 합성된 나노유체는 효율적인 냉각수 및 열교환기 액체입니다. 열전도성 나노 물질은 열 전달 및 방열 능력을 크게 증가시킵니다. 초음파 처리는 열전도성 나노 입자의 합성 및 기능화뿐만 아니라 냉각 응용 분야를위한 안정적인 고성능 나노 유체의 생산에 잘 확립되어 있습니다.
Nanofluidic Effects on Thermo-Hydraulic Performance
물질의 열전도율은 열을 전도하는 능력의 척도입니다. 냉각수 및 열 전달 유체(열 유체 또는 열 오일이라고도 함)의 경우 높은 열전도율이 필요합니다. 수많은 나노 물질은 뛰어난 열전도 특성을 제공합니다. 나노 물질의 우수한 열 전도성을 사용하기 위해 소위 나노 유체가 냉각액으로 사용됩니다. 나노 유체는 나노 미터 크기의 입자가 물, 글리콜 또는 오일과 같은 기본 유체에 부유하여 콜로이드 용액을 형성하는 유체입니다. 나노 유체는 나노 입자 또는 더 큰 입자가없는 액체에 비해 열전도율을 크게 증가시킬 수 있습니다. 분산된 나노입자의 재료, 크기, 점도, 표면 전하 및 유체 안정성은 나노유체의 열 성능에 상당한 영향을 미칩니다. 나노유체는 기존의 기유체와 비교할 때 우수한 열전달 성능을 보여주기 때문에 열전달 응용 분야에서 빠르게 중요성을 얻고 있습니다.
초음파 분산은 고성능 열 전달 용량을 가진 나노 유체를 생산하는 매우 효율적이고 신뢰할 수 있으며 산업적으로 확립 된 기술입니다.
- 높은 표면 : 상당히 더 높은 에너지 및 질량 전달 속도를위한 부피 비율
- 매우 우수한 콜로이드 안정성을 위한 낮은 질량
- 낮은 관성으로 침식을 최소화
이러한 나노 크기의 관련 기능은 나노 유체에 탁월한 열전도율을 제공합니다. 초음파 분산은 기능성 나노 입자 및 나노 유체를 생산하는 가장 효율적인 기술입니다.
우수한 열 유도성을 가진 초음파로 생산된 Nanofluids
다양한 나노물질 – CNT, 실리카, 그래핀, 알루미늄, 은, 질화붕소 등과 같은 – 열 전달 유체의 열 전도성을 증가시키는 것으로 이미 입증되었습니다. 아래에서는 초음파로 준비된 열전도성 나노 유체에 대한 모범적인 연구 결과를 찾을 수 있습니다.
초음파를 이용한 알루미우늄 기반 나노유체 생산
Buonomo et al. (2015)는 초음파로 제조 된 Al2O3 나노 유체의 향상된 열전도율을 입증했습니다.
Al2O3 나노 입자를 물에 균일하게 분산시키기 위해 연구원들은 Hielscher 프로브 형 초음파기 UP400S를 사용했습니다. 초음파로 응집되고 분산된 알루미늄 입자는 모든 나노유체에 대해 약 120nm의 입자 크기로 생성되었습니다. – 입자 농도와 무관하게. 나노 유체의 열전도율은 순수한 물과 비교할 때 더 높은 온도에서 증가했습니다. 25°C의 실온에서 Al2O3 입자 농도가 0.5%인 경우 열전도율 증가는 약 0.57%에 불과하지만 65°C에서는 이 값이 약 8%로 증가합니다. 부피 농도가 4%인 경우 온도가 25°C에서 65°C로 상승하면서 향상이 7.6%에서 14.4%로 증가합니다.
[Buonomo et al., 2015 참조]
UP400S로 초음파 처리 한 후 다양한 질화 붕소 농도의 수성 질화 붕소 나노 유체의 입자 크기 분포 (a) 0.1 % hBN, (b) 0.5 % hBN, (c) 2 % hBN
(연구 및 그래프: © Ilhan et al., 2016)
초음파 처리를 사용한 질화 붕소 기반 나노 유체 생산
Ilhan et al. (2016)은 육각형 질화붕소(hBN) 기반 나노유체의 열전도율을 조사했습니다. 이를 위해 평균 직경이 70nm 인 hBN 나노 입자를 포함하는 일련의 잘 분산 된 안정적인 나노 유체는 초음파 처리 및 계면 활성제 인 도데 실 황산 나트륨 (SDS) 및 폴리 비닐 피롤리돈 (PVP)과 같은 2 단계 방법으로 생산됩니다. 초음파로 분산 된 hBN – 물 나노 유체는 매우 희석 된 입자 농도에서도 상당한 열전도율 증가를 보여줍니다. 프로브 형 초음파 발생기 UP400S를 사용한 초음파 처리는 응집체의 평균 입자 크기를 40-60nm 범위로 줄였습니다. 연구원들은 처리되지 않은 건조 상태에서 관찰 된 크고 밀도가 높은 질화 붕소 응집체가 초음파 처리 과정과 계면 활성제 첨가로 파괴되었다고 결론지었습니다. 이것은 초음파 분산을 다양한 입자 농도의 수성 나노 유체를 제조하는 효과적인 방법으로 만듭니다.
[Ilhan et al., 2016 참조]
입자 부피 농도가 0.5%인 초음파로 분산된 에틸렌 글리콜(EG) 기반 hBN 나노유체의 형태를 보여주는 STEM 이미지.
(연구 및 그래프: © Ilhan et al., 2016)
“초음파는 나노 유체의 안정성을 높이기 위해 문헌에서 가장 널리 사용되는 과정입니다.” [일한 외, 2016] 또한 산업 생산에서 초음파 처리는 오늘날 뛰어난 성능의 장기적으로 안정적인 나노 유체를 얻는 가장 효과적이고 신뢰할 수 있으며 경제적 인 기술입니다.
냉각수 생산을위한 산업용 초음파기
과학적으로 입증되고 산업적으로 확립 – 나노 유체 생산을위한 Hielscher 초음파 발생기
초음파 고전단 분산기는 고성능 냉각수 및 열 전달 유체의 연속 생산을 위한 신뢰할 수 있는 기계입니다. 초음파 구동 혼합은 효율성과 신뢰성으로 잘 알려져 있습니다 – 까다로운 혼합 조건이 적용되는 경우에도 가능합니다.
Hielscher 초음파 장비를 사용하면 무독성, 비 위험, 심지어 식품 등급의 나노 유체를 준비 할 수 있습니다. 동시에 당사의 모든 초음파기는 매우 효율적이고 신뢰할 수 있으며 안전하게 작동 할 수 있으며 매우 견고합니다. 24/7 작동을 위해 제작 된 벤치 탑 및 중형 초음파조차도 놀라운 양을 생산할 수 있습니다.
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아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.
| 배치 볼륨(Batch Volume) | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 1 내지 500mL | 10 내지 200mL/분 | 업100H |
| 10 내지 2000mL | 20 내지 400mL/분 | UP200HT, UP400ST |
| 0.1 내지 20L | 0.2 내지 4L/min | UIP2000hdT 님 |
| 10에서 100L | 2 내지 10L/min | UIP4000hdt 님 |
| 15에서 150L | 3 내지 15L/min | UIP6000hdT 님 |
| N.A. 개시 | 10 내지 100L/min | UIP16000 |
| N.A. 개시 | 큰 | 의 클러스터 UIP16000 |
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Hielscher 초음파는 실험실, 파일럿 및 산업 규모에서 혼합 응용 분야, 분산, 유화 및 추출을위한 고성능 초음파 균질화기를 제조합니다.
문헌 / 참고문헌
- 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.
알아 둘 만한 가치가 있는 사실
Nanofluids가 냉각 및 열 전달 응용 분야에 좋은 이유는 무엇입니까?
새로운 종류의 냉각제는 기본 유체(예: 물)로 구성된 나노 유체로, 나노 크기의 입자에 대한 캐리어 액체 역할을 합니다. 기저 유체에 분산 된 목적으로 설계된 나노 입자 (예 : 나노 크기의 CuO, 알루미나 이산화 티타늄, 탄소 나노 튜브, 실리카 또는 구리,은 나노 막대와 같은 금속)는 생성 된 나노 유체의 열 전달 능력을 크게 향상시킬 수 있습니다. 이것은 나노유체를 특별한 고성능 냉각액으로 만듭니다.
열전도성 나노 입자를 함유 한 특별히 제조 된 나노 유체를 사용하면 열 전달 및 소산을 크게 개선 할 수 있습니다. 예를 들어, 직경이 55±12nm이고 평균 길이가 12.8μm인 은 나노막대는 0.5vol.%에서 물의 열전도율을 68% 증가시켰고, 은 나노막대의 0.5vol.%는 에틸렌 글리콜 기반 냉각수의 열전도율을 98% 증가시켰습니다. 0.1 %의 알루미나 나노 입자는 물의 임계 열 플럭스를 70 %까지 증가시킬 수 있습니다. 입자는 냉각된 물체에 거친 다공성 표면을 형성하여 새로운 기포의 형성을 촉진하고 친수성 특성은 입자를 밀어내는 데 도움이 되어 증기층의 형성을 방해합니다. 농도가 5% 이상인 나노유체는 비뉴턴 유체처럼 작용합니다. (참조: (Oldenburg et al., 2007)
열 제어 시스템에 사용되는 냉각제에 금속 나노 입자를 추가하면 기유의 열전도율을 크게 높일 수 있습니다. 이러한 금속 나노 입자 - 유체 복합 재료는 나노 유체라고하며 냉각제로 사용하면 우주선 열 제어 시스템의 무게 및 전력 요구 사항을 줄일 수 있습니다. 나노 유체의 열전도율은 구성 나노 입자의 농도, 크기, 모양, 표면 화학 및 응집 상태에 따라 달라집니다. 나노 입자 로딩 농도와 나노 입자의 종횡비가 물과 에틸렌 글리콜 기반 냉각제의 열전도율과 점도에 미치는 영향을 조사했습니다. 직경이 55 ± 12 nm이고 평균 길이가 12.8 ± 8.5 μm인 은 나노막대는 0.5 부피 %의 농도에서 물의 열전도율을 68 % 증가시켰다. 에틸렌 글리콜 기반 냉각수의 열전도율은 은 나노로드 로딩 농도가 0.5 부피 %로 98 % 증가했습니다. 더 긴 나노로드는 동일한 로딩 밀도에서 더 짧은 나노로드보다 열전도율에 더 큰 영향을 미쳤습니다. 그러나, 더 긴 nanorods는 또한 더 짧은 nanorods보다 기유체의 점도를 더 크게 증가시켰다.
(Oldenburg et al., 2007)
