Koelmiddelen op basis van thermogeleidende nanovloeistoffen
Ultrasoon gesynthetiseerde nanovloeistoffen zijn efficiënte koelmiddelen en warmtewisselaarvloeistoffen. Thermogeleidende nanomaterialen verhogen de warmteoverdracht en warmteafvoercapaciteit aanzienlijk. Sonificatie is een gevestigde waarde voor de synthese en functionalisatie van thermogeleidende nanodeeltjes en de productie van stabiele, hoogwaardige nanovloeistoffen voor koeltoepassingen.
Nanofluïdische effecten op thermohydraulische prestaties
De thermische geleidbaarheid van een materiaal is een maat voor het vermogen om warmte te geleiden. Voor koelmiddelen en warmteoverdrachtvloeistoffen (ook wel thermische vloeistof of thermische olie genoemd) is een hoge thermische geleidbaarheid gewenst. Tal van nanomaterialen bieden geweldige thermogeleidende eigenschappen. Om de superieure thermische geleidbaarheid van nanomaterialen te gebruiken, worden zogenaamde nanovloeistoffen gebruikt als koelvloeistof. Een nanovloeistof is een vloeistof waarin deeltjes ter grootte van een nanometer gesuspendeerd zijn in een basisvloeistof zoals water, glycol of olie, waar ze een colloïdale oplossing vormen. Nanovloeistoffen kunnen het warmtegeleidingsvermogen aanzienlijk verhogen in vergelijking met vloeistoffen zonder nanodeeltjes of grotere deeltjes. Materiaal, grootte, viscositeit, oppervlaktelading en vloeistofstabiliteit van de gedispergeerde nanodeeltjes beïnvloeden de thermische prestaties van nanovloeistoffen aanzienlijk. Nanovloeistoffen winnen snel aan belang in warmteoverdrachttoepassingen omdat ze superieure warmteoverdrachtprestaties vertonen in vergelijking met conventionele basisvloeistoffen.
Ultrasone dispersie is een zeer efficiënte, betrouwbare en industrieel beproefde techniek om nanovloeistoffen te produceren met een hoge warmteoverdrachtscapaciteit.
UP400St, een krachtige ultrasone processor van 400 W voor de productie van nanovloeistoffen met een superieur warmtegeleidingsvermogen.
- een hoge oppervlakte-volumeverhouding voor aanzienlijk hogere energie- en massaoverdrachtssnelheden
- lage massa voor zeer goede colloïdale stabiliteit
- lage inertie, waardoor erosie wordt geminimaliseerd
Deze nanogrootte eigenschappen geven nanovloeistoffen hun uitzonderlijke thermische geleidbaarheid. Ultrasone dispersie is de meest efficiënte techniek om gefunctionaliseerde nanodeeltjes en nanovloeistoffen te produceren.
Ultrasoon geproduceerde nanovloeistoffen met superieure thermische geleiding
Talrijke nanomaterialen – zoals CNT's, silica, grafeen, aluminium, zilver, boornitride en vele andere. – is al bewezen dat het de thermische geleiding van warmteoverdrachtsvloeistoffen verhoogt. Hieronder vindt u voorbeeldonderzoeksresultaten voor thermogeleidende nanovloeistoffen die zijn bereid met ultrasone trillingen.
Op alumiunium gebaseerde nanovloeistofproductie met ultrageluid
Buonomo et al. (2015) toonden de verbeterde thermische geleidbaarheid aan van Al2O3 nanovloeistoffen, die werden bereid onder ultrasone trillingen.
Om Al2O3 nanodeeltjes gelijkmatig in water te dispergeren, gebruikten de onderzoekers de Hielscher ultrasone sensor UP400S. Ultrasoon gedesagglomereerde en gedispergeerde aluminiumdeeltjes resulteerden in een deeltjesgrootte van ongeveer 120 nm voor alle nanovloeistoffen. – onafhankelijk van de deeltjesconcentratie. De thermische geleidbaarheid van nanovloeistoffen nam toe bij hogere temperaturen in vergelijking met zuiver water. Met 0,5% Al2O3 deeltjesconcentratie bij kamertemperatuur van 25°C is de toename in warmtegeleiding slechts ongeveer 0,57%, maar bij 65°C stijgt deze waarde tot ongeveer 8%. Voor een volumeconcentratie van 4% gaat de toename van 7,6% naar 14,4% bij een temperatuurstijging van 25°C naar 65°C.
[cf. Buonomo et al., 2015].
Deeltjesgrootteverdeling van op water gebaseerde boornitride nanovloeistoffen met verschillende boornitrideconcentraties na ultrasoonbehandeling met de UP400S (a) 0,1% hBN, (b) 0,5% hBN, (c) 2% hBN
(Studie en grafieken: © Ilhan et al., 2016)
Productie van nanovloeistoffen op basis van boornitride met Sonicatie
Ilhan et al. (2016) onderzochten de thermische geleidbaarheid van nanovloeistoffen op basis van hexagonaal boornitride (hBN). Voor dit doel is een serie goed gedispergeerde, stabiele nanovloeistoffen met hBN-nanodeeltjes met een gemiddelde diameter van 70 nm geproduceerd met een tweestapsmethode waarbij ultrasoon gebruik wordt gemaakt van oppervlakteactieve stoffen zoals natriumdodecylsulfaat (SDS) en polyvinylpyrrolidon (PVP). De ultrasoon gedispergeerde hBN-water nanovloeistof vertoont een significante toename van de thermische geleidbaarheid, zelfs voor zeer verdunde deeltjesconcentraties. Sonificatie met de sonde-type ultrasoon UP400S reduceerde de gemiddelde deeltjesgrootte van de aggregaten tot 40-60 nm. De onderzoekers concluderen dat grote en dichte aggregaten van boornitride, die werden waargenomen in onbehandelde droge toestand, worden gebroken met ultrasoon proces en toevoeging van oppervlakteactieve stoffen. Dit maakt ultrasone dispersie tot een effectieve methode voor de bereiding van nanovloeistoffen op waterbasis met verschillende deeltjesconcentraties.
[cf. Ilhan et al., 2016].
STEM-afbeelding die de morfologie toont van een ultrasoon gedispergeerde hBN-nanovloeistof op basis van ethyleenglycol (EG) met een volumeconcentratie van 0,5% deeltjes.
(Studie en grafieken: © Ilhan et al., 2016)
“Ultrasoon is het meest gebruikte proces in de literatuur om de stabiliteit van nanovloeistoffen te verhogen.” [Ilhan et al., 2016] En ook in de industriële productie is sonificatie tegenwoordig de meest effectieve, betrouwbare en economische techniek om stabiele nanovloeistoffen met uitstekende prestaties op de lange termijn te verkrijgen.
Industriële ultrasone apparaten voor koelvloeistofproductie
Wetenschappelijk bewezen, industrieel gevestigd – Hielscher ultrasoonapparatuur voor de productie van nanovloeistoffen
Ultrasone dispergeermachines met hoge schuifkracht zijn betrouwbare machines voor de continue productie van hoogwaardige koelmiddelen en warmteoverdrachtsvloeistoffen. Ultrasoon aangedreven mengen staat bekend om zijn efficiëntie en betrouwbaarheid. – zelfs bij veeleisende mengomstandigheden.
Met de apparatuur van Hielscher Ultrasonics kunnen niet-giftige, ongevaarlijke en soms zelfs voor levensmiddelen geschikte nanovloeistoffen worden bereid. Tegelijkertijd zijn al onze ultrasone apparaten zeer efficiënt, betrouwbaar, veilig te bedienen en zeer robuust. Ze zijn gebouwd voor 24/7 gebruik en zelfs onze tafelmodel en middelgrote ultrasone apparaten zijn in staat om opmerkelijke volumes te produceren.
Lees meer over ultrasone productie van nanovloeistoffen of neem nu contact met ons op voor een diepgaand advies en een gratis voorstel voor een ultrasone dispergeerinstallatie!
De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:
| Batchvolume | Debiet | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml/min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100 liter | 2 tot 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150 liter | 3 tot 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.v.t. | 10 tot 100 l/min | UIP16000 |
| n.v.t. | groter | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag het ons!
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispergeren, emulgeren en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.
Literatuur / Referenties
- 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.
Wetenswaardigheden
Waarom zijn nanovloeistoffen goed voor koeling en warmteoverdracht?
Een nieuwe klasse koelvloeistoffen zijn nanovloeistoffen die bestaan uit een basisvloeistof (bijv. water) die fungeert als dragervloeistof voor nanodeeltjes. Speciaal ontworpen nanodeeltjes (bijv. CuO van nanoformaat, aluminiumoxide titaniumdioxide, koolstofnanobuisjes, silica of metalen zoals koper- en zilvernanorods) gedispergeerd in de basisvloeistof kunnen de warmteoverdrachtscapaciteit van de resulterende nanovloeistof aanzienlijk verbeteren. Dit maakt nanovloeistoffen tot buitengewone koelvloeistoffen met hoge prestaties.
Het gebruik van specifiek vervaardigde nanovloeistoffen met thermo-geleidende nanodeeltjes maakt aanzienlijke verbeteringen mogelijk in de warmteoverdracht en -afvoer; zo verhoogden zilveren nanopartikels met een diameter van 55±12 nm en een gemiddelde lengte van 12,8 µm bij 0,5 vol.% de thermische geleidbaarheid van water met 68%, en 0,5 vol.% zilveren nanopartikels verhoogden de thermische geleidbaarheid van koelvloeistof op basis van ethyleenglycol met 98%. Aluminiumoxide nanodeeltjes met 0,1% kunnen de kritische warmtestroom van water met wel 70% verhogen; de deeltjes vormen een ruw poreus oppervlak op het gekoelde object, wat de vorming van nieuwe bellen stimuleert, en hun hydrofiele aard helpt ze vervolgens weg te duwen, waardoor de vorming van de stoomlaag wordt belemmerd. Nanovloeistoffen met een concentratie van meer dan 5% gedragen zich als niet-Newtonse vloeistoffen. (Zie (Oldenburg et al., 2007)
De toevoeging van metalen nanodeeltjes aan koelvloeistoffen die gebruikt worden in thermische regelsystemen kan de thermische geleidbaarheid van de basisvloeistof drastisch verhogen. Dergelijke composietmaterialen van metalen nanodeeltjes en vloeistoffen worden nanovloeistoffen genoemd en het gebruik ervan als koelvloeistof kan het gewicht en het vermogen van thermische regelsystemen van ruimtevaartuigen verminderen. De thermische geleidbaarheid van nanovloeistoffen is afhankelijk van de concentratie, grootte, vorm, oppervlaktechemie en aggregatietoestand van de samenstellende nanodeeltjes. De effecten van de concentratie van de nanodeeltjes en de aspectratio van de nanodeeltjes op de thermische geleidbaarheid en viscositeit van koelvloeistoffen op basis van water en ethyleenglycol werden onderzocht. Zilveren nanopartikels met een diameter van 55 ± 12 nm en een gemiddelde lengte van 12,8 ± 8,5 μm bij een concentratie van 0,5% van het volume verhoogden de thermische geleidbaarheid van water met 68%. De thermische geleidbaarheid van een koelvloeistof op basis van ethyleenglycol werd met 98% verhoogd bij een concentratie van 0,5% vol. aan zilvernanods. Langere nanorods hadden een groter effect op de thermische geleidbaarheid dan kortere nanorods bij dezelfde beladingsdichtheid. Langere nanorods verhoogden echter ook de viscositeit van de basisvloeistof in grotere mate dan kortere nanorods.
(Oldenburg et al., 2007)
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van lab naar industrieel formaat.