Refrigerantes Baseados em Nanofluidos Termocondutores

Os nanofluidos sintetizados por ultrassom são refrigerantes eficientes e líquidos trocadores 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 resfriamento.

Efeitos nanofluídicos no desempenho termo-hidráulico

A condutividade térmica de um material é uma medida de sua capacidade de conduzir calor. Para refrigerantes e fluido de transferência de calor (também chamado de fluido térmico ou óleo térmico), uma alta condutividade térmica é desejada. Numerosos nanomateriais oferecem grandes propriedades termocondutoras. A fim de usar a conducência térmica superior dos nanomateriais, os chamados nanofluidos são usados como líquidos de resfriamento. Um nanofluido é um fluido, no qual partículas do tamanho de nanômetros são suspensas no fluido de base, como água, glicol ou óleo, onde formam uma solução coloidal. Os nanofluidos podem aumentar significativamente a condutividade térmica em comparação com os líquidos sem nanopartículas ou partículas maiores. Material, tamanho, viscosidade, carga superficial e estabilidade do fluido das nanopartículas dispersas afetam significativamente o desempenho térmico dos nanofluidos. Os nanofluidos estão rapidamente ganhando importância em aplicações de transferência de calor, uma vez que mostram desempenho superior de transferência de calor quando comparados aos fluidos de base convencionais.
A dispersão ultra-sônica é uma técnica altamente eficiente, confiável e estabelecida industrialmente para produzir nanofluidos com capacidades de transferência de calor de alto desempenho.

Os nanofluidos sintetizados por ultrassom são refrigerantes eficientes e líquidos trocadores 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 resfriamento.

Dispersão ultra-sônica de nanotubos de carbono (CNT) em polietilenoglicol (PEG)

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UP400St para a dispersão de nanopartículas em nanofluidos.

UP400St, um poderoso processador ultra-sônico de 400W para a produção de nanofluidos com condutividade térmica superior.

Ultrasonication permite liberar as vantagens de partículas de tamanho nano, como

  • uma superfície alta: razão de volume para taxas de transferência de energia e massa significativamente mais altas
  • baixa massa para uma estabilidade coloidal muito boa
  • baixa inércia, o que minimiza a erosão

Essas características relacionadas ao tamanho nanométrico dão aos nanofluidos sua excepcional condutividade térmica. A dispersão ultra-sônica é a técnica mais eficiente para produzir nanopartículas e nanofluidos funcionalizados.

Nanofluidos produzidos por ultrassom com condutividade térmica superior

Numerosos nanomateriais – como CNTs, sílica, grafeno, alumínio, prata, nitreto de boro e muitos outros – já foi comprovado que aumentam a condutividade térmica dos fluidos de transferência de calor. Abaixo, você pode encontrar resultados de pesquisa exemplares para nanofluidos termocondutores preparados sob ultrassom.

Produção de nanofluidos à base de alumínio com ultrassom

Buonomo et al. (2015) demonstraram a condutividade térmica melhorada dos nanofluidos Al2O3, que foram preparados sob ultrassom.
A fim de dispersar as nanopartículas de Al2O3 uniformemente em água, os pesquisadores usaram o ultrasonicator do tipo sonda Hielscher UP400S. Partículas de alumínio desaglomeradas e dispersas ultrassonicamente produzidas em um tamanho de partícula de aprox. 120 nm para todos os nanofluidos – independentemente da concentração de partículas. A condutividade térmica dos nanofluidos estava aumentando em temperaturas mais altas quando comparada à água pura. Com 0,5% de concentração de partículas de Al2O3 à temperatura ambiente de 25 ° C, o aumento da condutividade térmica é de apenas cerca de 0,57%, mas a 65 ° C esse valor aumenta para cerca de 8%. Para concentração volumétrica de 4%, o aumento passa de 7,6% para 14,4% com a temperatura subindo de 25°C para 65°C.
[cf. Buonomo et al., 2015]

A dispersão ultra-sônica é um método altamente eficiente para produzir nanofluidos aquosos de nitreto de bomon com condutividade térmica superior.

Distribuição granulométrica de nanofluidos de nitreto de boro à base de água com várias concentrações de nitreto de boro após ultrassonografia 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 usando sonicação

(2016) investigaram a condutividade térmica de nanofluidos hexagonais à base de nitreto de boro (hBN). Para este fim, uma série de nanofluidos estáveis e bem dispersos, contendo nanopartículas de hBN com um diâmetro médio de 70 nm, são produzidos com um método de duas etapas envolvendo ultrassonografia e surfactantes, como dodecil sulfato de sódio (SDS) e polivinil pirrolidona (PVP). O nanofluido hBN-água disperso ultrassonicamente mostra um aumento significativo da condutividade térmica, mesmo para concentrações de partículas muito diluídas. A sonicação com o ultrasonicator do tipo sonda UP400S reduziu o tamanho médio das partículas dos agregados para uma faixa de 40 a 60 nm. Os pesquisadores concluem que agregados de nitreto de boro grandes e densos, que foram observados em estado seco não tratado, são quebrados com o processo de ultrassonografia e adição de surfactante. Isso torna a dispersão ultra-sônica um método eficaz para a preparação de nanofluidos à base de água com várias concentrações de partículas.
[cf. Ilhan et al., 2016]

A imagem do microscópio eletrônico de transmissão de varredura (STEM) mostra nitreto de boro ultrassonicamente disperso em etilenoglicol. Para a dispersão ultra-sônica foi utilizado o UP400S. O nanofluido resultante tem alta condutividade térmica.

Imagem STEM mostrando morfologia de um nanofluido hBN à base de etilenoglicol (EG) disperso ultrassonicamente com concentração de volume de partículas de 0,5%.
(Estudo e gráficos: © Ilhan et al., 2016)

Dispersão ultrassônica de Nano-Sílica: O homogeneizador ultrassônico hielscher UP400St dispersa as nanopartículas de sílica rápida e eficientemente em uma nano-dispersão uniforme.

Dispersão ultrassônica de Nano-Sílica usando o ultrassônico UP400St

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“A ultrassonografia é o processo mais 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, confiável e econômica para obter nanofluidos estáveis a longo prazo de excelente desempenho.

Ultrasonicators industriais para produção de refrigerante

Cientificamente comprovado, industrialmente estabelecido – Ultrasonicators Hielscher para produção de nanofluidos
Os ultrasonicators de alto desempenho são sistemas de mistura em linha confiáveis e altamente eficientes para a produção de nanofluidos termocondutores.Os dispersores ultra-sônicos de alto cisalhamento são máquinas confiáveis para a produção contínua de refrigerantes de alto desempenho e fluidos de transferência de calor. A mistura ultrassonicamente acionada é conhecida por sua eficiência e confiabilidade – mesmo quando se aplicam condições de mistura exigentes.
O equipamento Hielscher Ultrasonics permite preparar nanofluidos não tóxicos, não perigosos e até mesmo de grau alimentício. Ao mesmo tempo, todos os nossos ultrasonicators são altamente eficientes, confiáveis, seguros de operar e muito robustos. Construídos para operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, até mesmo nossos ultrasonicators de bancada e de tamanho médio são capazes de produzir volumes notáveis.
Leia mais sobre a produção ultra-sônica de nanofluidos ou entre em contato conosco agora mesmo para obter uma consulta aprofundada e uma proposta gratuita para um dispersor ultra-sônico!

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators:

Volume batch Quociente de vazão Dispositivos Recomendados
1 a 500mL 10 a 200 mL / min UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL / min UP200Ht, UP400St
0.1 a 20L 00,2 a 4 L / min UIP2000hdT
10 a 100L 2 de 10L / min UIP4000hdT
15 a 150L 3 a 15L/min UIP6000hdT
n / D. 10 a 100L / min UIP16000
n / D. maior aglomerado de UIP16000

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Neste vídeo mostramos um sistema ultrassônico de 2 kilowatts para operação inline em um gabinete purgável. A Hielscher fornece equipamentos ultrassônicos para quase todas as indústrias, como indústria química, farmacêutica, cosmética, processos petroquímicos, bem como para processos de extração à base de solventes. Este armário de aço inoxidável expurgável é projetado para operação em áreas perigosas. Para isso, o armário selado pode ser purgado pelo cliente com nitrogênio ou ar fresco para evitar que gases ou vapores inflamáveis entrem no armário.

Ultrassonicadores 2x 1000 Watts em Gabinete Purgável para Instalação em Áreas Perigosas

Homogeneizadores ultrassônicos de alta cisalhamento são usados em laboratório, bancada, piloto e processamento industrial.

A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração em escala laboratoria, piloto e industrial.



Literatura / Referências

Fatos, vale a pena conhecer

Por que os nanofluidos são bons para aplicações de resfriamento e transferência de calor?

Uma nova classe de refrigerantes são nanofluidos que consistem em um fluido de base (por exemplo, água), que atua como líquido transportador para partículas de tamanho nano. Nanopartículas projetadas especificamente (por exemplo, CuO de tamanho nano, dióxido de titânio de alumina, nanotubos de carbono, sílica ou metais como cobre, nanobastões de prata) dispersas no fluido de base podem aumentar significativamente a capacidade de transferência de calor do nanofluido resultante. Isso torna os nanofluidos extraordinários líquidos de resfriamento de alto desempenho.
O uso de nanofluidos especificamente fabricados contendo nanopartículas termocondutoras permite melhorias significativas na transferência e dissipação de calor; Por exemplo, nanobastões de prata de 55±12 nm de diâmetro e comprimento médio de 12,8 μm 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 crítico de calor da água em até 70%; as partículas formam uma superfície porosa áspera no objeto resfriado, o que incentiva a formação de novas bolhas, e sua natureza hidrofílica ajuda a afastá-las, dificultando a formação da camada de vapor. O nanofluido com a concentração superior a 5% age como fluidos não-newtonianos. (cf. (Oldenburg et al., 2007)

A adição de nanopartículas de metal aos refrigerantes usados em sistemas de controle térmico pode aumentar drasticamente a condutividade térmica do fluido de base. Tais materiais compósitos de nanopartículas de metal são referidos como nanofluidos e seu uso como refrigerantes tem o potencial de reduzir os requisitos de peso e potência dos sistemas de controle térmico de espaçonaves. A condutividade térmica dos nanofluidos depende da concentração, tamanho, forma, química de superfície e estado de agregação das nanopartículas constituintes. Os efeitos da concentração de carga de nanopartículas e da razão de aspecto das nanopartículas sobre a condutividade térmica e viscosidade de refrigerantes à base de água e etilenoglicol foram investigados. Nanobastões de prata com diâmetro de 55 ± 12 nm e 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 refrigerante à base de etilenoglicol foi aumentada em 98% com uma concentração de carga de nanobastão de prata de 0,5% em volume. Nanobastões mais longos tiveram um efeito maior sobre a condutividade térmica do que nanobastões mais curtos na mesma densidade de carga. No entanto, nanobastões mais longos também aumentaram a viscosidade do fluido de base em maior medida do que os nanobastões mais curtos.
(Oldenburg et al., 2007)


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Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho de Laboratório para tamanho industrial.