Refrigerantes à base de nanofluidos termocondutores
Os nanofluidos sintetizados por ultrassom são refrigerantes eficientes e líquidos de trocadores de calor. Os nanomateriais termocondutores aumentam significativamente a capacidade de transferência e 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), é desejada uma alta condutividade térmica. Numerosos nanomateriais oferecem ótimas propriedades termocondutoras. A fim de usar a condutividade térmica superior dos nanomateriais, os chamados nanofluidos são usados como líquidos de resfriamento. Um nanofluido é um fluido, no qual partículas de tamanho nanométrico são suspensas no fluido base como água, glicol ou óleo, onde formam uma solução coloidal. Os nanofluidos podem aumentar significativamente a condutividade térmica em comparação com líquidos sem nanopartículas ou partículas maiores. Material, tamanho, viscosidade, carga superficial e estabilidade de fluido das nanopartículas dispersas afetam significativamente o desempenho térmico dos nanofluidos. Os nanofluidos estão ganhando importância rapidamente em aplicações de transferência de calor, pois apresentam desempenho superior de transferência de calor quando comparados aos fluidos básicos convencionais.
A dispersão ultrassônica é uma técnica altamente eficiente, confiável e industrialmente estabelecida para produzir nanofluidos com capacidades de transferência de calor de alto desempenho.
UP400St, um poderoso processador ultrassônico de 400 W para a produção de nanofluidos com condutividade térmica superior.
- uma alta relação superfície: 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
Esses recursos relacionados ao tamanho nanométrico dão aos nanofluidos sua excepcional condutividade térmica. A dispersão ultrassônica 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 melhoria da condutividade térmica dos nanofluidos de Al2O3, que foram preparados sob ultrassom.
Para dispersar as nanopartículas de Al2O3 uniformemente na água, os pesquisadores usaram o ultrassônico do tipo sonda Hielscher UP400S. Partículas de alumínio ultrassônicas desaglomeradas e dispersas produziram 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 na condutividade térmica é de apenas cerca de 0,57%, mas a 65 ° C esse valor aumenta para cerca de 8%. Para concentração de volume de 4%, o aumento vai de 7,6% para 14,4%, com a temperatura subindo de 25 ° C para 65 ° C.
[cf. Buonomo et al., 2015]
Distribuição granulométrica de nanofluidos de nitreto de boro à base de água com várias concentrações de nitreto de boro após ultrassom 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
Ilhan et al. (2016) investigaram a condutividade térmica de nanofluidos à base de nitreto de boro hexagonal (hBN). Para isso, uma série de nanofluidos estáveis e bem dispersos, contendo nanopartículas de hBN com 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 disperso por ultrassom mostra um aumento significativo da condutividade térmica, mesmo para concentrações de partículas muito diluídas. A sonicação com o ultrassônico tipo sonda UP400S reduziu o tamanho médio das partículas dos agregados para a faixa de 40 a 60 nm. Os pesquisadores concluem que agregados grandes e densos de nitreto de boro, que foram observados em estado seco não tratado, são quebrados com o processo de ultrassom e adição de surfactante. Isso torna a dispersão ultrassônica 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 hBN à base de etilenoglicol (EG) disperso por ultrassom com concentração de volume de partícula de 0,5%.
(Estudo e gráficos: © Ilhan et al., 2016)
“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 a técnica mais eficaz, confiável e econômica para obter nanofluidos estáveis a longo prazo de excelente desempenho.
Ultrassônicos industriais para produção de refrigerante
Cientificamente comprovado, industrialmente estabelecido – Ultrasonicators Hielscher para produção de nanofluidos
Os dispersores ultrassônicos de alto cisalhamento são máquinas confiáveis para a produção contínua de refrigerantes e fluidos de transferência de calor de alto desempenho. A mistura ultrassônica 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, alguns até de qualidade alimentar. Ao mesmo tempo, todos os nossos ultrasonicadores são altamente eficientes, confiáveis, seguros de operar e muito robustos. Construídos para operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, até mesmo nossos ultrasonicadores de bancada e de médio porte são capazes de produzir volumes notáveis.
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A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos:
| Volume do lote | Vazão | 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.a. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | maior | cluster de UIP16000 |
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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
Por que os nanofluidos são bons para aplicações de resfriamento e transferência de calor?
Uma nova classe de refrigerantes são os nanofluidos que consistem em um fluido base (por exemplo, água), que atua como líquido transportador para partículas nanométricas. Nanopartículas projetadas especificamente (por exemplo, CuO de tamanho nanométrico, 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 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 áspera no objeto resfriado, o que estimula a formação de novas bolhas, e sua natureza hidrofílica ajuda a afastá-las, dificultando a formação da camada de vapor. Nanofluido com concentração superior a 5% age como fluidos não newtonianos. (cf. (Oldenburg et al., 2007)
A adição de nanopartículas metálicas a refrigerantes usados em sistemas de controle térmico pode aumentar drasticamente a condutividade térmica do fluido base. Esses materiais compósitos de nanopartículas de metal são chamados de nanofluidos e seu uso como refrigerantes tem o potencial de reduzir os requisitos de peso e energia dos sistemas de controle térmico da espaçonave. A condutividade térmica dos nanofluidos depende da concentração, tamanho, forma, química da superfície e estado de agregação das nanopartículas constituintes. Os efeitos da concentração de carga de nanopartículas e a proporção das nanopartículas na 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 na 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 nanobastões de prata de 0,5% em volume. Nanobastões mais longos tiveram um efeito maior na 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 extensão do que nanobastões mais curtos.
(Oldenburg et al., 2007)
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