chladiace kvapaliny na báze termovodičových nanofluidov
Ultrazvukom syntetizované nanofluidy sú účinné chladiace kvapaliny a kvapaliny výmenníka tepla. Termovodivé nanomateriály výrazne zvyšujú kapacitu prenosu tepla a odvodu tepla. Sonikácia je dobre zavedená syntézou a funkcionalizáciou termovodičových nanočastíc, ako aj výrobou stabilných vysoko výkonných nanofluidov pre chladiace aplikácie.
Nanofluidné účinky na termohydraulický výkon
Tepelná vodivosť materiálu je mierou jeho schopnosti viesť teplo. Pre chladiace kvapaliny a teplonosnú kvapalinu (tiež nazývanú tepelná kvapalina alebo tepelný olej) je žiaduca vysoká tepelná vodivosť. Početné nanomateriály ponúkajú skvelé termovodivé vlastnosti. Na využitie vynikajúcej tepelnej priaznivosti nanomateriálov sa ako chladiace kvapaliny používajú takzvané nanofluidy. Nanofluids je tekutina, v ktorej sú častice veľkosti nanometrov suspendované v základnej tekutine, ako je voda, glykol alebo olej, kde tvoria koloidný roztok. Nanofluidy môžu výrazne zvýšiť tepelnú vodivosť v porovnaní s kvapalinami bez nanočastíc alebo väčších častíc. Materiál, veľkosť, viskozita, povrchový náboj a stabilita dispergovaných nanočastíc významne ovplyvňujú tepelnú výkonnosť nanofluidov. Nanofluidy rýchlo získavajú na význame v aplikáciách prenosu tepla, pretože vykazujú vynikajúci výkon prenosu tepla v porovnaní s konvenčnými základnými kvapalinami.
Ultrazvuková disperzia je vysoko účinná, spoľahlivá a priemyselne zavedená technika na výrobu nanofluidov s vysoko výkonnými kapacitami prenosu tepla.
UP400St, 400W výkonný ultrazvukový procesor na výrobu nanofluidov s vynikajúcou tepelnou vodivosťou.
- vysoký pomer povrch: objem pre výrazne vyššie rýchlosti prenosu energie a hmoty
- nízka hmotnosť pre veľmi dobrú koloidnú stabilitu
- nízka zotrvačnosť, ktorá minimalizuje eróziu
Tieto vlastnosti súvisiace s nanoveľkosťou dodávajú nanofluidom ich výnimočnú tepelnú vodivosť. Ultrazvuková disperzia je najúčinnejšou technikou na výrobu funkčných nanočastíc a nanofluidov.
Ultrazvukom vyrábané nanofluidy s vynikajúcou tepelnou priaznivosťou
Početné nanomateriály – ako sú CNT, oxid kremičitý, grafén, hliník, striebro, nitrid bóru a mnoho ďalších – už bolo dokázané, že zvyšujú tepelnú priaznivosť kvapalín na prenos tepla. Nižšie nájdete príkladné výsledky výskumu termo-vodivých nanofluidov pripravených v rámci ultrazvuku.
Výroba nanofluidov na báze alumiúnia s ultrazvukom
Buonomo et al. (2015) demonštrovali zlepšenú tepelnú vodivosť nanofluidov Al2O3, ktoré boli pripravené v ultrazvuku.
Na rovnomerné rozptýlenie nanočastíc Al2O3 do vody vedci použili ultrazvukový prístroj typu sondy Hielscher UP400S. Ultrazvukom deaglomerované a dispergované hliníkové častice s veľkosťou častíc približne 120 nm pre všetky nanofluidy – nezávisle od koncentrácie častíc. Tepelná vodivosť nanofluidov sa zvyšovala pri vyšších teplotách v porovnaní s čistou vodou. Pri 0,5% koncentrácii častíc Al2O3 pri izbovej teplote 25°C je zvýšenie tepelnej vodivosti len asi 0,57%, ale pri 65°C sa táto hodnota zvyšuje na približne 8%. Pri objemovej koncentrácii 4% sa zvýšenie pohybuje zo 7,6% na 14,4% s teplotou stúpajúcou z 25°C na 65°C.
[porovnaj Buonomo et al., 2015]
Distribúcia veľkosti častíc nanofluidov nitridu bóru na vodnej báze s rôznou koncentráciou nitridu bóru po ultrazvuku s UP400S (a) 0,1% hBN, (b) 0,5% hBN, (c) 2% hBN
(Štúdia a grafy: © Ilhan et al., 2016)
Výroba nanofluidov na báze nitridu bóru pomocou ultrazvukom
Ilhan et al. (2016) skúmali tepelnú vodivosť nanofluidov na báze hexagonálneho nitridu bóru (hBN). Na tento účel sa vyrába séria dobre dispergovaných, stabilných nanofluidov, obsahujúcich nanočastice hBN s priemerným priemerom 70 nm, dvojstupňovou metódou zahŕňajúcou ultrazvukom a povrchovo aktívne látky, ako je dodecylsulfát sodný (SDS) a polyvinylpyrolidón (PVP). Ultrazvukom dispergovaný hBN-vodný nanofluid vykazuje významné zvýšenie tepelnej vodivosti aj pri veľmi zriedených koncentráciách častíc. Sonikácia ultrasonicatorom sondového typu UP400S znížila priemernú veľkosť častíc agregátov na rozsah 40-60 nm. Vedci dospeli k záveru, že veľké a husté kamenivo nitridu bóru, ktoré boli pozorované v neošetrenom suchom stave, sú rozbité ultrazvukovým procesom a pridaním povrchovo aktívnej látky. Vďaka tomu je ultrazvuková disperzia účinnou metódou prípravy nanofluidov na vodnej báze s rôznymi koncentráciami častíc.
[porovnaj Ilhan a kol., 2016]
Obrázok STEM znázorňujúci morfológiu ultrazvukom dispergovaného hBN nanofluidu na báze etylénglykolu (EG) s koncentráciou objemu častíc 0,5%.
(Štúdia a grafy: © Ilhan et al., 2016)
“Ultrazvukom je najpoužívanejším procesom v literatúre na zvýšenie stability nanofluidov.” [Ilhan a kol., 2016] A tiež v priemyselnej výrobe je v súčasnosti sonikácia najúčinnejšou, najspoľahlivejšou a najekonomickejšou technikou na získanie dlhodobo stabilných nanofluidov s vynikajúcim výkonom.
Priemyselné ultrazvukové prístroje na výrobu chladiacej kvapaliny
vedecky dokázané, priemyselne založené – Hielscher Ultrasonicators pre výrobu nanofluidov
Ultrazvukové vysokošmykové dispergátory sú spoľahlivé stroje na nepretržitú výrobu vysokovýkonných chladiacich kvapalín a kvapalín na prenos tepla. Ultrazvukom poháňané miešanie je známe svojou účinnosťou a spoľahlivosťou – aj pri náročných podmienkach miešania platia.
Hielscher Ultrasonics zariadenie umožňuje pripraviť netoxické, nebezpečné, niektoré dokonca potravinárske nanofluidy. Zároveň sú všetky naše ultrazvukové prístroje vysoko účinné, spoľahlivé, bezpečné na prevádzku a veľmi robustné. Postavené pre prevádzku 24/7, dokonca aj naše stolové a stredne veľké ultrazvukové prístroje sú schopné produkovať pozoruhodné objemy.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej výrobe nanofluidov alebo nás kontaktujte práve teraz a získajte hĺbkovú konzultáciu a bezplatný návrh na ultrazvukový disperzátor!
Nasledujúca tabuľka vám uvádza približnú spracovateľskú kapacitu našich ultrazvukov:
| Objem šarže | prietok | Odporúčané Devices |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 02 až 4 l / min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10 l / min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| neuv | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| neuv | väčšia | strapec UIP16000 |
Kontaktuj nás! / Opýtajte sa nás!
Hielscher Ultrazvukom vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory pre miešanie aplikácií, disperzie, emulgácie a extrakcie na laboratórne, pilotné a priemyselné meradle.
Literatúra/referencie
- 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 stojí za to vedieť
Prečo sú nanofluidy vhodné na aplikácie chladenia a prenosu tepla?
Nová trieda chladiacich kvapalín sú nanokvapaliny, ktoré pozostávajú zo základnej tekutiny (napr. vody), ktorá pôsobí ako nosná kvapalina pre častice nano veľkosti. Účelovo navrhnuté nanočastice (napr. CuO nano veľkosti, oxid hlinitý, uhlíkové nanorúrky, oxid kremičitý alebo kovy ako meď, strieborné nanorody) rozptýlené do základnej tekutiny môžu výrazne zvýšiť schopnosť prenosu tepla výsledného nanofluidu. Vďaka tomu sú nanofluidy mimoriadne vysokovýkonné chladiace kvapaliny.
Použitie špeciálne vyrobených nanokvapalín obsahujúcich termo-vodivé nanočastice umožňuje výrazné zlepšenie prenosu a odvodu tepla; napr. strieborné nanorody s priemerom 55±12 nm a priemernou dĺžkou 12,8 μm pri 0,5 obj. % zvýšili tepelnú vodivosť vody o 68 % a 0,5 obj. % strieborných nanorodov zvýšilo tepelnú vodivosť chladiacej kvapaliny na báze etylénglykolu o 98 %. Nanočastice oxidu hlinitého pri 0,1% môžu zvýšiť kritický tepelný tok vody až o 70%; častice tvoria na ochladenom objekte drsný porézny povrch, ktorý podporuje tvorbu nových bublín a ich hydrofilná povaha ich potom pomáha odtláčať a brániť tvorbe parnej vrstvy. Nanofluid s koncentráciou vyššou ako 5% pôsobí ako nenewtonovské tekutiny. (porov. (Oldenburg et al., 2007)
Pridanie kovových nanočastíc do chladiacich kvapalín používaných v systémoch tepelnej regulácie môže dramaticky zvýšiť tepelnú vodivosť základnej kvapaliny. Takéto kompozitné materiály z kovových nanočastíc a kvapalín sa označujú ako nanokvapaliny a ich použitie ako chladiacich kvapalín má potenciál znížiť požiadavky na hmotnosť a výkon systémov tepelnej regulácie kozmických lodí. Tepelná vodivosť nanofluidov závisí od koncentrácie, veľkosti, tvaru, povrchovej chémie a stavu agregácie základných nanočastíc. Skúmali sa účinky koncentrácie zaťaženia nanočastíc a pomeru strán nanočastíc na tepelnú vodivosť a viskozitu chladiacich kvapalín na báze vody a etylénglykolu. Strieborné nanorody s priemerom 55 ± 12 nm a priemernou dĺžkou 12,8 ± 8,5 μm pri koncentrácii 0,5% objemu zvýšili tepelnú vodivosť vody o 68%. Tepelná vodivosť chladiacej kvapaliny na báze etylénglykolu sa zvýšila o 98% s koncentráciou zaťaženia nanorodu striebra 0,5% objemu. Dlhšie nanorody mali väčší vplyv na tepelnú vodivosť ako kratšie nanorody pri rovnakej hustote zaťaženia. Dlhšie nanorody však tiež zvýšili viskozitu základnej tekutiny vo väčšej miere ako kratšie nanorody.
(Oldenburg a kol., 2007)
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizers z laboratórium na priemyselnej veľkosti.