Refrigerantes baseados em nanofluidos termocondutores
Os nanofluidos sintetizados por ultra-sons são refrigerantes eficientes e líquidos de permutadores de calor. Os nanomateriais termocondutores aumentam significativamente a transferência de calor e a capacidade de dissipação de calor. A sonicação está bem estabelecida na síntese e funcionalização de nanopartículas termocondutoras, bem como na produção de nanofluidos estáveis de alto desempenho para aplicações de arrefecimento.
Efeitos nanofluídicos no desempenho termo-hidráulico
A condutividade térmica de um material é uma medida da sua capacidade de conduzir calor. Para refrigerantes e fluidos de transferência de calor (também chamados fluidos térmicos ou óleos térmicos), é desejável uma elevada condutividade térmica. Numerosos nanomateriais oferecem grandes propriedades termo-condutoras. A fim de utilizar a condutividade térmica superior dos nanomateriais, os chamados nanofluidos são utilizados como líquidos de arrefecimento. Um nanofluido é um fluido em que partículas de dimensão nanométrica estão suspensas no fluido de base, como água, glicol ou óleo, formando uma solução coloidal. Os nanofluidos podem aumentar significativamente a condutividade térmica em comparação com líquidos sem nanopartículas ou com partículas maiores. O material, o tamanho, a viscosidade, a carga superficial e a estabilidade do fluido das nanopartículas dispersas afectam significativamente o desempenho térmico dos nanofluidos. Os nanofluidos estão rapidamente a ganhar importância em aplicações de transferência de calor, uma vez que apresentam um desempenho superior de transferência de calor quando comparados com fluidos de base convencionais.
A dispersão ultra-sónica é uma técnica altamente eficiente, fiável e estabelecida industrialmente para produzir nanofluidos com capacidades de transferência de calor de elevado desempenho.
- uma elevada relação superfície/volume para taxas de transferência de energia e massa significativamente mais elevadas
- baixa massa para uma estabilidade coloidal muito boa
- baixa inércia, o que minimiza a erosão
Estas caraterísticas relacionadas com o tamanho nanométrico conferem aos nanofluidos a sua excecional condutividade térmica. A dispersão ultra-sónica é a técnica mais eficiente para produzir nanopartículas e nanofluidos funcionalizados.
Nanofluidos produzidos por ultra-sons com condutividade térmica superior
Numerosos nanomateriais – como os CNT, a sílica, o grafeno, o alumínio, a prata, o nitreto de boro e muitos outros – já foi provado para aumentar a condutividade térmica de fluidos de transferência de calor. Abaixo, você pode encontrar resultados de pesquisa exemplares para nanofluidos termo-condutores preparados sob ultrassom.
Produção de nanofluidos à base de alumiunium com ultra-sons
Buonomo et al. (2015) demonstraram a condutividade térmica melhorada de nanofluidos de Al2O3, que foram preparados sob ultrassom.
A fim de dispersar as nanopartículas de Al2O3 uniformemente em água, os pesquisadores usaram o ultrasonicator Hielscher tipo sonda UP400S. Ultrassonicamente desaglomerados e dispersos partículas de alumínio rendeu em um tamanho de partícula de aprox. 120 nm para todos os nanofluidos – independentemente da concentração de partículas. A condutividade térmica dos nanofluidos aumentou a temperaturas mais elevadas quando comparada com a água pura. Com uma concentração de 0,5% de partículas de Al2O3 à temperatura ambiente de 25°C, o aumento da condutividade térmica é de apenas 0,57%, mas a 65°C este valor aumenta para cerca de 8%. Para uma concentração volumétrica de 4%, o aumento vai de 7,6% para 14,4% com o aumento da temperatura de 25°C para 65°C.
[cf. Buonomo et al., 2015]
Distribuição do tamanho das partículas de nanofluidos de nitreto de boro à base de água com várias concentrações de nitreto de boro após ultra-sons com o UP400S (a) 0,1% hBN, (b) 0,5% hBN, (c) 2% hBN
(Estudo e gráficos: © Ilhan et al., 2016)
Produção de nanofluidos à base de nitreto de boro por sonicação
Ilhan et al. (2016) investigaram a condutividade térmica de nanofluidos baseados em nitreto de boro hexagonal (hBN). Para este fim, uma série de nanofluidos bem dispersos e estáveis, contendo nanopartículas de hBN com um diâmetro médio de 70 nm, são produzidos com um método de duas etapas envolvendo ultrassom e surfactantes como dodecil sulfato de sódio (SDS) e polivinilpirrolidona (PVP). O nanofluido hBN-água ultrassonicamente disperso mostra um aumento significativo da condutividade térmica, mesmo para concentrações de partículas muito diluídas. A sonicação com o ultrasonicador tipo sonda UP400S reduziu o tamanho médio das partículas dos agregados até a faixa de 40-60 nm. Os pesquisadores concluem que os agregados de nitreto de boro grandes e densos, que foram observados em estado seco não tratado, são quebrados com processo de ultrassom e adição de surfactante. Isto faz com que a dispersão ultra-sónica um método eficaz para a preparação de nanofluidos à base de água com várias concentrações de partículas.
[cf. Ilhan et al., 2016]
Imagem STEM mostrando a morfologia de um nanofluido de hBN à base de etilenoglicol (EG) disperso por ultra-sons com uma concentração volumétrica de partículas de 0,5%.
(Estudo e gráficos: © Ilhan et al., 2016)
“Ultrasonication é o processo mais amplamente utilizado na literatura para aumentar a estabilidade dos nanofluidos.” [Ilhan et al., 2016] E também na produção industrial, a sonicação é hoje em dia a técnica mais eficaz, fiável e económica para obter nanofluidos estáveis a longo prazo de excelente desempenho.
Ultrassons industriais para a produção de líquidos de refrigeração
Comprovado cientificamente, estabelecido industrialmente – Hielscher Ultrasonicators para a produção de nanofluidos
Os dispersores ultra-sónicos de alto cisalhamento são máquinas fiáveis para a produção contínua de fluidos refrigerantes e fluidos de transferência de calor de elevado desempenho. A mistura por ultra-sons é conhecida pela sua eficiência e fiabilidade – mesmo quando se aplicam condições de mistura exigentes.
Hielscher Ultrasonics equipamento permite preparar não-tóxico, não perigosos, alguns até mesmo nanofluidos de grau alimentar. Ao mesmo tempo, todos os nossos ultrasonicators são altamente eficiente, confiável, seguro de operar, e muito robusto. Construídos para funcionar 24 horas por dia, 7 dias por semana, mesmo os nossos ultrasonicadores de bancada e de tamanho médio são capazes de produzir volumes notáveis.
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O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons:
| Volume do lote | caudal | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500mL | 10 a 200mL/min | UP100H |
| 10 a 2000mL | 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400ST |
| 0.1 a 20L | 0.2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000hdt |
| 15 a 150L | 3 a 15L/min | UIP6000hdT |
| n.d. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | maior | grupo de UIP16000 |
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A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultra-sónicos de alto desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração à escala laboratorial, piloto e industrial.
Literatura / Referências
- 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.
Fatos, vale a pena conhecer
Porque é que os nanofluidos são bons para aplicações de arrefecimento e transferência de calor?
Uma nova classe de fluidos de arrefecimento são os nanofluidos que consistem num fluido de base (por exemplo, água), que actua como líquido de transporte para partículas de dimensão nanométrica. As nanopartículas concebidas para o efeito (por exemplo, CuO de dimensão nanométrica, dióxido de titânio de alumina, nanotubos de carbono, sílica ou metais como o cobre e os nanobastões de prata) dispersas no fluido de base podem aumentar significativamente a capacidade de transferência de calor do nanofluido resultante. Este facto torna os nanofluidos extraordinários líquidos de arrefecimento de elevado desempenho.
A utilização de nanofluidos especificamente fabricados contendo nanopartículas termocondutoras permite melhorias significativas na transferência e dissipação de calor; por exemplo, os nanobastões de prata com 55±12 nm de diâmetro e 12,8 µm de comprimento médio a 0,5 vol.% aumentaram a condutividade térmica da água em 68% e 0,5 vol.% de nanobastões de prata aumentaram a condutividade térmica do refrigerante à base de etilenoglicol em 98%. As nanopartículas de alumina a 0,1% podem aumentar o fluxo de calor crítico da água em até 70%; as partículas formam uma superfície porosa rugosa no objeto arrefecido, o que incentiva a formação de novas bolhas, e a sua natureza hidrofílica ajuda a afastá-las, impedindo a formação da camada de vapor. Os nanofluidos com uma concentração superior a 5% actuam como fluidos não newtonianos. (cf. (Oldenburg et al., 2007)
A adição de nanopartículas metálicas aos fluidos de arrefecimento utilizados nos sistemas de controlo térmico pode aumentar drasticamente a condutividade térmica do fluido de base. Estes materiais compostos de nanopartículas metálicas e fluidos são designados por nanofluidos e a sua utilização como refrigerantes tem o potencial de reduzir o peso e os requisitos de energia dos sistemas de controlo térmico das naves espaciais. A condutividade térmica dos nanofluidos depende da concentração, dimensão, forma, química da superfície e estado de agregação das nanopartículas constituintes. Foram investigados os efeitos da concentração da carga de nanopartículas e da relação de aspeto das nanopartículas na condutividade térmica e na viscosidade de refrigerantes à base de água e etilenoglicol. Os nanobastões de prata com um diâmetro de 55 ± 12 nm e um comprimento médio de 12,8 ± 8,5 μm a uma concentração de 0,5% em volume aumentaram a condutividade térmica da água em 68%. A condutividade térmica de um líquido de arrefecimento à base de etilenoglicol foi aumentada em 98% com uma concentração de carga de nanobastões de prata de 0,5% em volume. Os nanobastões mais compridos tiveram um maior efeito na condutividade térmica do que os mais curtos, com a mesma densidade de carga. No entanto, os nanobastões mais compridos também aumentaram a viscosidade do fluido de base em maior medida do que os nanobastões mais curtos.
(Oldenburg et al., 2007)
A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultra-sónicos de alto desempenho a partir de laboratório para dimensão industrial.