Koelmiddelen op basis van thermogeleidende nanovloeistoffen
Ultrasoon gesynthetiseerde nanovloeistoffen zijn efficiënte koelmiddelen en warmtewisselaarvloeistoffen. Thermogeleidende nanomaterialen verhogen de warmteoverdracht en de warmteafvoercapaciteit aanzienlijk. Bij de synthese en functionalisering van thermogeleidende nanodeeltjes en de productie van stabiele, hoogwaardige nanovloeistoffen voor koeltoepassingen is sonificatie een gevestigde waarde.
Nanofluïdische effecten op thermo-hydraulische prestaties
De thermische geleidbaarheid van een materiaal is een maat voor het vermogen om warmte te geleiden. Voor koelmiddelen en warmteoverdrachtsvloeistoffen (ook wel thermische vloeistof of thermische olie genoemd) is een hoge thermische geleidbaarheid gewenst. Talrijke nanomaterialen bieden grote thermogeleidende eigenschappen. Om de superieure thermische geleidbaarheid van nanomaterialen te benutten, worden zogenaamde nanovloeistoffen gebruikt als koelvloeistof. Een nanovloeistof is een vloeistof waarin deeltjes ter grootte van een nanometer zijn gesuspendeerd in een basisvloeistof zoals water, glycol of olie, waarin zij 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 zijn van grote invloed op de thermische prestaties van nanovloeistoffen. Nanovloeistoffen winnen snel aan belang in warmteoverdrachtstoepassingen, aangezien zij superieure warmteoverdrachtprestaties vertonen in vergelijking met conventionele basisvloeistoffen.
Ultrasone dispersie is een zeer efficiënte, betrouwbare en industrieel beproefde techniek om nanovloeistoffen met een hoge warmteoverdracht te produceren.
UP400St, een 400W krachtige ultrasone processor voor de productie van nanovloeistoffen met een superieur warmtegeleidingsvermogen.
- een hoge oppervlakte-volumeverhouding voor een aanzienlijk hogere energie- en massaoverdracht
- lage massa voor zeer goede colloïdale stabiliteit
- lage inertie, waardoor erosie wordt geminimaliseerd
Deze nanogrootte eigenschappen geven nanovloeistoffen hun uitzonderlijke warmtegeleiding. 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 reeds bewezen dat zij de thermische geleiding van warmteoverdrachtsvloeistoffen verhogen. Hieronder vindt u voorbeeldige onderzoeksresultaten voor thermo-geleidende nanovloeistoffen die met ultrasone trillingen zijn bereid.
Op alumiunium gebaseerde nanovloeistofproductie met ultrageluid
Buonomo et al. (2015) toonden de verbeterde thermische geleidbaarheid aan van Al2O3 nanovloeistoffen, die onder ultrasoon bereid werden.
Om Al2O3 nanodeeltjes gelijkmatig in water te dispergeren, gebruikten de onderzoekers de Hielscher sonde-ultrasone UP400S. Ultrasoon gedesagglomereerde en gedispergeerde aluminiumdeeltjes leverden een deeltjesgrootte op 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 van de warmtegeleiding slechts ongeveer 0,57%, maar bij 65°C stijgt deze waarde tot ongeveer 8%. Bij een volumeconcentratie van 4% gaat de verhoging van 7,6% naar 14,4% bij een temperatuurstijging van 25°C naar 65°C.
[cf. Buonomo et al., 2015].
Deeltjesgrootteverdeling van watergebaseerde 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 nanovloeistof op basis van boornitride met behulp van 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, die hBN-nanodeeltjes met een gemiddelde diameter van 70 nm bevatten, geproduceerd met een tweestapsmethode waarbij ultrasoonisatie en oppervlakteactieve stoffen zoals natriumdodecylsulfaat (SDS) en polyvinylpyrrolidon (PVP) worden gebruikt. De ultrasoon gedispergeerde hBN-water-nanovloeistof vertoont een aanzienlijke toename van de warmtegeleiding, zelfs voor zeer verdunde deeltjesconcentraties. Sonicatie met de sonde-type ultrasoon UP400S verminderde de gemiddelde deeltjesgrootte van de aggregaten tot 40-60 nm. De onderzoekers concluderen dat grote en dichte aggregaten van boornitride, die in onbehandelde droge toestand werden waargenomen, worden gebroken door ultrasoonbehandeling 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-beeld van de morfologie 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 maken 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 langdurig stabiele nanovloeistoffen met uitstekende prestaties te verkrijgen.
Industriële ultrasone apparaten voor koelvloeistofproductie
Wetenschappelijk bewezen, industrieel gevestigd – Hielscher Ultrasoonapparaten 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.
Hielscher Ultrasonics apparatuur maakt het mogelijk niet-giftige, ongevaarlijke, sommige zelfs voedselveilige nanovloeistoffen te bereiden. Tegelijkertijd zijn al onze ultrasone apparaten zeer efficiënt, betrouwbaar, veilig te bedienen en zeer robuust. Gebouwd voor 24/7 werking, zijn zelfs onze bench-top en middelgrote ultrasone apparaten 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 dispergeerder!
Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators:
| batch Volume | Stroomsnelheid | Aanbevolen apparaten |
|---|---|---|
| 1 tot 500 ml | 10 tot 200 ml / min | UP100H |
| 10 tot 2000 ml | 20 tot 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 tot 20L | 0.2 tot 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 tot 100L | 2 tot 10 l / min | UIP4000hdT |
| 15 tot 150L | 3 tot 15L/min | UIP6000hdT |
| na | 10 tot 100 l / min | UIP16000 |
| na | grotere | cluster van UIP16000 |
Neem contact met ons op! / Vraag ons!
Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispersie, emulsificatie 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.
Feiten die de moeite waard zijn om te weten
Waarom zijn nanovloeistoffen goed voor koeling en warmteoverdracht?
Een nieuwe klasse koelvloeistoffen zijn nanovloeistoffen die bestaan uit een basisvloeistof (bv. water), die fungeert als draagvloeistof voor nanodeeltjes. Speciaal ontworpen nanodeeltjes (bv. CuO van nanoformaat, titaniumdioxide van aluminiumoxide, koolstofnanobuisjes, silica, of metalen zoals koper, zilveren nanorods) gedispergeerd in de basisvloeistof kunnen de warmteoverdrachtscapaciteit van de resulterende nanovloeistof aanzienlijk verhogen. Dit maakt nanovloeistoffen tot buitengewoon krachtige koelvloeistoffen.
Het gebruik van specifiek vervaardigde nanovloeistoffen met thermo-geleidende nanodeeltjes maakt aanzienlijke verbeteringen mogelijk op het gebied van 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 verhoogden 0,5 vol.% zilveren nanopartikels de thermische geleidbaarheid van koelvloeistof op basis van ethyleenglycol met 98%. Aluminiumoxide nanodeeltjes van 0,1% kunnen de kritische warmtestroom van water met maar liefst 70% verhogen; de deeltjes vormen een ruw poreus oppervlak op het gekoelde object, wat de vorming van nieuwe belletjes bevordert, en hun hydrofiele aard helpt ze vervolgens weg te duwen, wat de vorming van de stoomlaag belemmert. 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 koelmiddelen die worden gebruikt 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 koelmiddel kan het gewicht en het benodigde vermogen van thermische regelsystemen voor ruimtevaartuigen verminderen. Het warmtegeleidingsvermogen 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 aspectverhouding van de nanodeeltjes op het warmtegeleidingsvermogen en de 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%. Het warmtegeleidingsvermogen 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 warmtegeleiding 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 vervaardigt hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van Laboratorium naar industrieel formaat.