Охлаждающие жидкости на основе термопроводящих наножидкостей
Ультразвуковые синтезированные наножидкости являются эффективными теплоносителями и теплообменными жидкостями. Термопроводящие наноматериалы значительно увеличивают теплопередачу и теплоотдачу. Ультразвук хорошо зарекомендовал себя в синтезе и функционализации термопроводящих наночастиц, а также в производстве стабильных высокоэффективных наножидкостей для охлаждения.
Влияние наножидкости на термогидравлические характеристики
Теплопроводность материала является мерой его способности проводить тепло. Для теплоносителей и теплоносителя (также называемого теплоносителем или термомаслом) требуется высокая теплопроводность. Многочисленные наноматериалы обладают отличными теплопроводящими свойствами. Чтобы использовать превосходную тепловую проводимость наноматериалов, в качестве охлаждающих жидкостей используются так называемые наножидкости. Наножидкости – это жидкости, в которых нанометровые частицы суспензированы в базовой жидкости, такой как вода, гликоль или масло, где они образуют коллоидный раствор. Наножидкости могут значительно увеличивать теплопроводность по сравнению с жидкостями без наночастиц или более крупными частицами. Материал, размер, вязкость, поверхностный заряд и стабильность жидкости диспергированных наночастиц существенно влияют на тепловые характеристики наножидкостей. Наножидкости быстро приобретают все большее значение в системах теплообмена, поскольку они демонстрируют превосходные характеристики теплопередачи по сравнению с обычными базовыми жидкостями.
Ультразвуковое диспергирование является высокоэффективным, надежным и зарекомендовавшим себя в промышленных масштабах методом производства наножидкостей с высокой производительностью теплопередачи.
- Высокое отношение поверхности к объему для значительно более высоких скоростей передачи энергии и массы
- малая масса для очень хорошей коллоидной стабильности
- низкая инерционность, что сводит к минимуму эрозию
Эти свойства, связанные с наноразмерами, придают наножидкостям исключительную теплопроводность. Ультразвуковое диспергирование является наиболее эффективным методом получения функционализированных наночастиц и наножидкостей.
Наножидкости, полученные ультразвуковым излучением, с превосходной тепловой проводимостью
Многочисленные наноматериалы – такие как УНТ, диоксид кремния, графен, алюминий, серебро, нитрид бора и многие другие – уже доказано, что они увеличивают тепловую благоприятность теплоносителей. Ниже приведены примерные результаты исследований термопроводящих наножидкостей, полученных под ультразвуковым контролем.
Производство наножидкостей на основе алюминия с помощью ультразвука
Buonomo et al. (2015) продемонстрировали улучшенную теплопроводность наножидкостей Al2O3, которые были получены под ультразвуковым контролем.
Чтобы равномерно диспергировать наночастицы Al2O3 в воде, исследователи использовали ультразвуковой аппарат зондового типа Hielscher UP400S. Ультразвуковая деагломерация и диспергирование частиц алюминия с размером частиц около 120 нм для всех наножидкостей – независимо от концентрации частиц. Теплопроводность наножидкостей увеличивалась при более высоких температурах по сравнению с чистой водой. При концентрации частиц Al2O3 0,5% при комнатной температуре 25°C увеличение теплопроводности составляет всего около 0,57%, но при 65°C это значение увеличивается примерно до 8%. При объемной концентрации 4% увеличение увеличивается с 7,6% до 14,4% с повышением температуры с 25°C до 65°C.
[ср. Буономо и др., 2015]
Распределение частиц по размерам наножидкостей на водной основе из нитрида бора с различной концентрацией нитрида бора после ультразвукового исследования с UP400S (a) 0,1% hBN, (b) 0,5% hBN, (c) 2% hBN
Производство наножидкостей на основе нитрида бора с использованием ультразвуковой обработки
Ilhan et al. (2016) исследовали теплопроводность наножидкостей на основе гексагонального нитрида бора (hBN). С этой целью двухступенчатым методом с использованием ультразвука и поверхностно-активных веществ, таких как додецилсульфат натрия (SDS) и поливинилпирролидон (PVP), получают серию хорошо диспергированных, стабильных наножидкостей, содержащих наночастицы hBN со средним диаметром 70 нм. Ультразвуковая дисперсная наножидкость hBN–вода демонстрирует значительное увеличение теплопроводности даже при очень разбавленных концентрациях частиц. Ультразвуковая обработка с помощью ультразвукового аппарата зондового типа UP400S позволила снизить средний размер частиц агрегатов до 40–60 нм. Исследователи пришли к выводу, что крупные и плотные агрегаты нитрида бора, которые наблюдались в необработанном сухом состоянии, разрушаются в процессе ультразвука и добавления поверхностно-активного вещества. Это делает ультразвуковое диспергирование эффективным методом получения наножидкостей на водной основе с различной концентрацией частиц.
[ср. Ilhan et al., 2016]
Изображение STEM, показывающее морфологию ультразвуковой диспергированной наножидкости hBN на основе этиленгликоля (EG) с объемной концентрацией частиц 0,5%.
“Ультразвуковая обработка является наиболее широко используемым в литературе процессом для повышения стабильности наножидкостей.” [Ильхан и др., 2016] А также в промышленном производстве ультразвуковая обработка в настоящее время является наиболее эффективным, надежным и экономичным методом получения долговременных стабильных наножидкостей с выдающимися эксплуатационными характеристиками.
Промышленные ультразвуковые аппараты для производства охлаждающей жидкости
Научно доказано, промышленно обосновано – Ультразвуковые аппараты Hielscher для производства наножидкостей
Ультразвуковые диспергаторы с большими сдвиговыми усилиями являются надежными машинами для непрерывного производства высокоэффективных охлаждающих жидкостей и теплоносителей. Смешивание с ультразвуковым приводом известно своей эффективностью и надежностью – Даже при сложных условиях смешивания.
Ультразвуковое оборудование Hielscher позволяет готовить нетоксичные, неопасные, некоторые даже пищевые наножидкости. В то же время все наши ультразвуковые аппараты отличаются высокой эффективностью, надежностью, безопасностью в эксплуатации и высокой прочностью. Созданные для работы в режиме 24/7, даже наши настольные и средние ультразвуковые аппараты способны производить впечатляющие объемы.
Узнайте больше об ультразвуковом производстве наножидкостей или свяжитесь с нами прямо сейчас, чтобы получить подробную консультацию и бесплатное предложение по ультразвуковому диспергатору!
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:
| Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| от 1 до 500 мл | От 10 до 200 мл/мин | УП100Ч |
| от 10 до 2000 мл | от 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
| От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
| От 15 до 150 л | От 3 до 15 л/мин | УИП6000HDT |
| н.а. | От 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| н.а. | больше | Кластер UIP16000 |
Свяжитесь с нами!? Спросите нас!
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы для смешивания, диспергирования, эмульгирования и экстракции в лабораторном, пилотном и промышленном масштабе.
Литература? Литература
- 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.
Факты, которые стоит знать
Почему наножидкости хороши для охлаждения и теплообмена?
Новым классом охлаждающих жидкостей являются наножидкости, состоящие из базовой жидкости (например, воды), которая действует как жидкость-носитель для наноразмерных частиц. Специально разработанные наночастицы (например, наноразмерный CuO, оксид алюминия и диоксид титана, углеродные нанотрубки, диоксид кремния или металлы, такие как медь, серебряные наностержни), диспергированные в базовой жидкости, могут значительно увеличить теплоотдающую способность полученной наножидкости. Это делает наножидкости необычайно высокоэффективными охлаждающими жидкостями.
Использование специально изготовленных наножидкостей, содержащих термопроводящие наночастицы, позволяет значительно улучшить теплопередачу и рассеивание; Например, серебряные наностержни диаметром 55±12 нм и средней длиной 12,8 мкм при 0,5 об.% увеличивали теплопроводность воды на 68%, а серебряные наностержни на 0,5 об.% увеличивали теплопроводность теплоносителя на основе этиленгликоля на 98%. Наночастицы оксида алюминия в концентрации 0,1% могут увеличить критический тепловой поток воды на целых 70%; Частицы образуют на охлаждаемом объекте шероховатую пористую поверхность, что способствует образованию новых пузырьков, а их гидрофильная природа затем помогает оттолкнуть их, препятствуя образованию слоя пара. Наножидкость с концентрацией более 5% действует как неньютоновские жидкости. (см. (Ольденбург и др., 2007)
Добавление наночастиц металлов в охлаждающие жидкости, используемые в системах терморегулирования, может значительно увеличить теплопроводность базовой жидкости. Такие композиционные материалы на основе наночастиц металлов называются наножидкостями, и их использование в качестве охлаждающей жидкости может снизить требования к весу и мощности систем терморегулирования космических аппаратов. Теплопроводность наножидкостей зависит от концентрации, размера, формы, химического состава поверхности и состояния агрегации составляющих наночастиц. Исследовано влияние концентрации наночастиц в нагрузке и соотношения сторон наночастиц на теплопроводность и вязкость теплоносителей на основе воды и этиленгликоля. Серебряные наностержни диаметром 55 ± 12 нм и средней длиной 12,8 ± 8,5 мкм при концентрации 0,5% по объему увеличивали теплопроводность воды на 68%. Теплопроводность теплоносителя на основе этиленгликоля увеличена на 98% при концентрации серебряного наностержня 0,5% по объему. Более длинные наностержни оказывали большее влияние на теплопроводность, чем более короткие наностержни при той же плотности нагружения. Однако более длинные наностержни также увеличивали вязкость базовой жидкости в большей степени, чем более короткие наностержни.
(Ольденбург и др., 2007)
Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лаборатория Кому промышленного размера.