Chłodziwa oparte na nanopłynach termoprzewodzących
Ultradźwiękowo syntetyzowane nanofluidy są wydajnymi chłodziwami i płynami do wymienników ciepła. Termoprzewodzące nanomateriały znacznie zwiększają przenoszenie ciepła i zdolność rozpraszania ciepła. Sonikacja jest dobrze ugruntowana w syntezie i funkcjonalizacji termoprzewodzących nanocząstek, jak również w produkcji stabilnych, wysokowydajnych nanofluidów do zastosowań chłodniczych.
Wpływ nanofluidów na wydajność termo-hydrauliczną
Przewodność cieplna materiału jest miarą jego zdolności do przewodzenia ciepła. W przypadku chłodziw i płynów do wymiany ciepła (zwanych również płynami termicznymi lub olejami termicznymi) pożądana jest wysoka przewodność cieplna. Liczne nanomateriały oferują doskonałe właściwości termoprzewodzące. Aby wykorzystać doskonałą przewodność cieplną nanomateriałów, jako płyny chłodzące stosuje się tak zwane nanofluidy. Nanofluidy to płyny, w których cząstki o wielkości nanometrów są zawieszone w płynie bazowym, takim jak woda, glikol lub olej, gdzie tworzą roztwór koloidalny. Nanofluidy mogą znacznie zwiększyć przewodność cieplną w porównaniu do płynów bez nanocząstek lub większych cząstek. Materiał, rozmiar, lepkość, ładunek powierzchniowy i stabilność płynu rozproszonych nanocząstek znacząco wpływają na wydajność termiczną nanofluidów. Nanofluidy szybko zyskują na znaczeniu w zastosowaniach związanych z przenoszeniem ciepła, ponieważ wykazują lepszą wydajność wymiany ciepła w porównaniu z konwencjonalnymi płynami bazowymi.
Dyspersja ultradźwiękowa jest wysoce wydajną, niezawodną i uznaną w przemyśle techniką produkcji nanofluidów o wysokiej wydajności wymiany ciepła.

UP400St, wydajny procesor ultradźwiękowy o mocy 400 W do produkcji nanofluidów o doskonałej przewodności cieplnej.
- wysoki stosunek powierzchni do objętości zapewniający znacznie wyższy transfer energii i masy
- niska masa zapewniająca bardzo dobrą stabilność koloidalną
- niska bezwładność, która minimalizuje erozję
Te cechy związane z nanorozmiarami nadają nanofluidom wyjątkową przewodność cieplną. Dyspersja ultradźwiękowa jest najskuteczniejszą techniką wytwarzania funkcjonalizowanych nanocząstek i nanofluidów.
Ultradźwiękowo wytwarzane nanopłyny o doskonałej przewodności cieplnej
Liczne nanomateriały – takie jak CNT, krzemionka, grafen, aluminium, srebro, azotek boru i wiele innych. – zostały już udowodnione, że zwiększają przewodność cieplną płynów przenoszących ciepło. Poniżej można znaleźć przykładowe wyniki badań dla termoprzewodzących nanofluidów przygotowanych pod ultradźwiękami.
Produkcja nanofluidu na bazie alumiunium za pomocą ultradźwięków
Buonomo et al. (2015) wykazali poprawę przewodności cieplnej nanofluidów Al2O3, które zostały przygotowane w procesie ultradźwięków.
W celu równomiernego rozproszenia nanocząstek Al2O3 w wodzie, naukowcy wykorzystali ultrasonograf typu UP400S firmy Hielscher. Ultradźwiękowo deaglomerowane i rozproszone cząstki aluminium dały cząstki o wielkości ok. 120 nm dla wszystkich nanofluidów – niezależnie od stężenia cząstek. Przewodność cieplna nanofluidów wzrastała w wyższych temperaturach w porównaniu do czystej wody. Przy 0,5% stężeniu cząstek Al2O3 w temperaturze pokojowej 25°C wzrost przewodności cieplnej wynosi tylko około 0,57%, ale w temperaturze 65°C wartość ta wzrasta do około 8%. W przypadku stężenia objętościowego 4% wzrost wynosi od 7,6% do 14,4% wraz ze wzrostem temperatury z 25°C do 65°C.
[por. Buonomo i in., 2015].

Rozkład wielkości cząstek nanofluidów na bazie wody z azotkiem boru o różnym stężeniu azotku boru po ultradźwiękach za pomocą UP400S (a) 0,1% hBN, (b) 0,5% hBN, (c) 2% hBN
(Badanie i wykresy: © Ilhan et al., 2016)
Produkcja nanofluidu na bazie azotku boru przy użyciu sonikacji
Ilhan et al. (2016) zbadali przewodność cieplną nanofluidów na bazie heksagonalnego azotku boru (hBN). W tym celu seria dobrze zdyspergowanych, stabilnych nanofluidów, zawierających nanocząstki hBN o średniej średnicy 70 nm, jest wytwarzana dwuetapową metodą obejmującą ultradźwięki i środki powierzchniowo czynne, takie jak dodecylosiarczan sodu (SDS) i poliwinylopirolidon (PVP). Ultradźwiękowo zdyspergowany nanofluid hBN-woda wykazuje znaczny wzrost przewodności cieplnej nawet dla bardzo rozcieńczonych stężeń cząstek. Sonikacja za pomocą ultradźwiękowego sondy UP400S zmniejszyła średnią wielkość cząstek agregatów do zakresu 40-60 nm. Naukowcy doszli do wniosku, że duże i gęste agregaty azotku boru, które zaobserwowano w stanie nieobrobionym na sucho, są łamane w procesie ultradźwiękowym i dodawaniu środka powierzchniowo czynnego. Sprawia to, że dyspersja ultradźwiękowa jest skuteczną metodą przygotowania nanopłynów na bazie wody o różnych stężeniach cząstek.
[por. Ilhan i in., 2016].
“Ultradźwięki są najczęściej stosowanym procesem w literaturze w celu zwiększenia stabilności nanofluidów.” [Ilhan et al., 2016] A także w produkcji przemysłowej, sonikacja jest obecnie najbardziej skuteczną, niezawodną i ekonomiczną techniką uzyskiwania długoterminowych stabilnych nanofluidów o wyjątkowej wydajności.
Przemysłowe ultradźwięki do produkcji chłodziwa
Udowodnione naukowo, ugruntowane przemysłowo – Ultradźwięki Hielscher do produkcji nanofluidów
Ultradźwiękowe dyspergatory o wysokim ścinaniu to niezawodne urządzenia do ciągłej produkcji wysokowydajnych chłodziw i płynów do wymiany ciepła. Mieszanie napędzane ultradźwiękami jest znane ze swojej wydajności i niezawodności – nawet w wymagających warunkach mieszania.
Sprzęt Hielscher Ultrasonics pozwala na przygotowanie nietoksycznych, nieszkodliwych, a nawet spożywczych nanofluidów. Jednocześnie wszystkie nasze ultrasonografy są bardzo wydajne, niezawodne, bezpieczne w obsłudze i bardzo wytrzymałe. Zbudowane do pracy w trybie 24/7, nawet nasze ultradźwięki stołowe i średniej wielkości są w stanie wyprodukować niezwykłe ilości.
Przeczytaj więcej o ultradźwiękowej produkcji nanofluidów lub skontaktuj się z nami już teraz, aby uzyskać szczegółowe konsultacje i bezpłatną ofertę na dyspergator ultradźwiękowy!
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:
Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
---|---|---|
1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
15 do 150 l | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Literatura / Referencje
- 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.
Fakty, które warto znać
Dlaczego nanopłyny są dobre do zastosowań związanych z chłodzeniem i przenoszeniem ciepła?
Nową klasą chłodziw są nanofluidy, które składają się z płynu bazowego (np. wody), który działa jako ciecz nośna dla nanocząstek. Specjalnie zaprojektowane nanocząstki (np. nanocząstki CuO, dwutlenek tytanu z tlenku glinu, nanorurki węglowe, krzemionka lub metale, takie jak miedź, nanopręty srebra) rozproszone w płynie bazowym mogą znacznie zwiększyć zdolność przenoszenia ciepła powstałego nanofluidu. Sprawia to, że nanofluidy są wyjątkowymi, wysokowydajnymi płynami chłodzącymi.
Zastosowanie specjalnie wytworzonych nanofluidów zawierających termoprzewodzące nanocząstki pozwala na znaczną poprawę transferu i rozpraszania ciepła; np. nanopręty srebra o średnicy 55±12 nm i średniej długości 12,8 µm w ilości 0,5% obj. zwiększyły przewodność cieplną wody o 68%, a 0,5% obj. nanoprętów srebra zwiększyło przewodność cieplną chłodziwa na bazie glikolu etylenowego o 98%. Nanocząstki tlenku glinu w stężeniu 0,1% mogą zwiększyć krytyczny strumień ciepła wody nawet o 70%; cząstki tworzą szorstką porowatą powierzchnię na chłodzonym obiekcie, co sprzyja tworzeniu się nowych pęcherzyków, a ich hydrofilowa natura pomaga następnie je odepchnąć, utrudniając tworzenie się warstwy pary. Nanofluid o stężeniu większym niż 5% działa jak płyny nienewtonowskie. (por. (Oldenburg et al., 2007)
Dodanie nanocząstek metalu do chłodziw stosowanych w systemach kontroli termicznej może znacznie zwiększyć przewodność cieplną płynu bazowego. Takie materiały kompozytowe z nanocząstkami metali są określane jako nanofluidy, a ich zastosowanie jako chłodziwa może potencjalnie zmniejszyć wagę i zapotrzebowanie na moc systemów kontroli termicznej statków kosmicznych. Przewodność cieplna nanofluidów zależy od stężenia, rozmiaru, kształtu, składu chemicznego powierzchni i stanu skupienia nanocząstek składowych. Zbadano wpływ stężenia nanocząstek i współczynnika kształtu nanocząstek na przewodność cieplną i lepkość chłodziw na bazie wody i glikolu etylenowego. Nanopręty srebra o średnicy 55 ± 12 nm i średniej długości 12,8 ± 8,5 μm w stężeniu 0,5% objętościowo zwiększyły przewodność cieplną wody o 68%. Przewodność cieplna chłodziwa na bazie glikolu etylenowego wzrosła o 98% przy stężeniu nanorodów srebra wynoszącym 0,5% objętości. Dłuższe nanopręty miały większy wpływ na przewodność cieplną niż krótsze nanopręty o tej samej gęstości. Jednak dłuższe nanorody zwiększały również lepkość płynu bazowego w większym stopniu niż krótsze nanorody.
(Oldenburg et al., 2007)

Hielscher Ultrasonics produkuje wysokowydajne homogenizatory ultradźwiękowe od laboratorium do rozmiar przemysłowy.