Chladiace kvapaliny na báze termovodivých nanokvapalín
Ultrazvukom syntetizované nanokvapaliny sú účinné chladiace kvapaliny a kvapaliny výmenníkov tepla. Termovodivé nanomateriály výrazne zvyšujú kapacitu prenosu tepla a odvodu tepla. Sonikácia je dobre zavedená v syntéze a funkcionalizácii termovodivých nanočastíc, ako aj pri výrobe stabilných vysokovýkonných nanokvapalín pre chladiace aplikácie.
Nanofluidné účinky na tepelno-hydraulický výkon
Tepelná vodivosť materiálu je mierou jeho schopnosti viesť teplo. Pre chladiace kvapaliny a kvapalinu na prenos tepla (tiež nazývanú tepelná kvapalina alebo termálny olej) je požadovaná vysoká tepelná vodivosť. Početné nanomateriály ponúkajú skvelé tepelne vodivé vlastnosti. Na využitie vynikajúcej tepelnej účinnosti nanomateriálov sa ako chladiace kvapaliny používajú takzvané nanokvapaliny. Nanokvapaliny sú tekutina, v ktorej sú nanometrové častice suspendované v základnej tekutine, ako je voda, glykol alebo olej, kde tvoria koloidný roztok. Nanokvapaliny môžu výrazne zvýšiť tepelnú vodivosť v porovnaní s kvapalinami bez nanočastíc alebo väčších častíc. Materiál, veľkosť, viskozita, povrchový náboj a stabilita tekutín dispergovaných nanočastíc významne ovplyvňujú tepelný výkon nanokvapalín. Nanokvapaliny rýchlo získavajú na význame v aplikáciách prenosu tepla, pretože vykazujú vynikajúci výkon prenosu tepla v porovnaní s konvenčnými základnými kvapalinami.
Ultrazvuková disperzia je vysoko efektívna, spoľahlivá a priemyselne zavedená technika na výrobu nanokvapalín s vysokovýkonnými kapacitami prenosu tepla.
UP400St, 400W výkonný ultrazvukový procesor na výrobu nanokvapalín s vynikajúcou tepelnou vodivosťou.
- vysoký pomer povrchu a objemu 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 nanokvapalinám ich výnimočnú tepelnú vodivosť. Ultrazvuková disperzia je najefektívnejšou technikou na výrobu funkcionalizovaných nanočastíc a nanokvapalín.
Ultrazvukom vyrábané nanokvapaliny s vynikajúcou tepelnou vodivosťou
Početné nanomateriály – ako sú CNT, oxid kremičitý, grafén, hliník, striebro, nitrid bóru a mnoho ďalších – už bolo dokázané, že zvyšujú tepelnú hospodárnosť kvapalín na prenos tepla. Nižšie nájdete príkladné výsledky výskumu termovodivých nanokvapalín pripravených ultrazvukom.
Výroba nanokvapalín na báze alumiunia pomocou ultrazvuku
Buonomo et al. (2015) preukázali zlepšenú tepelnú vodivosť nanokvapalín Al2O3, ktoré boli pripravené ultrazvukom.
Na rovnomerné rozptýlenie nanočastíc Al2O3 do vody vedci použili ultrazvukový sondový typ Hielscherovej sondy UP400S. Ultrazvukovo deaglomerované a dispergované hliníkové častice získali veľkosť častíc cca. 120 nm pre všetky nanokvapaliny – nezávisle od koncentrácie častíc. Tepelná vodivosť nanokvapalín 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 zvýši zo 7,6 % na 14,4 % pri zvýšení teploty z 25 °C na 65 °C.
[porovnaj Buonomo a kol., 2015]
Distribúcia veľkosti častíc nanokvapalín nitridu boritého na báze vody s rôznou koncentráciou nitridu boru po ultrazvuku s UP400S (a) 0,1 % hBN, (b) 0,5 % hBN, (c) 2 % hBN
(Štúdia a grafy: © Ilhan et al., 2016)
Výroba nanokvapalín na báze nitridu boru pomocou sonikácie
Ilhan et al. (2016) skúmali tepelnú vodivosť nanokvapalín na báze hexagonálneho nitridu bóru (hBN). Na tento účel sa dvojstupňovou metódou zahŕňajúcou ultrazvuk a povrchovo aktívne látky, ako je dodecylsulfát sodný (SDS) a polyvinylpyrolidón (PVP), vyrába séria dobre rozptýlených, stabilných nanokvapalín obsahujúcich nanočastice hBN so stredným priemerom 70 nm. Ultrazvukovo dispergovaná nanokvapalina hBN-voda vykazuje výrazné zvýšenie tepelnej vodivosti aj pri veľmi zriedených koncentráciách častíc. Sonikácia pomocou ultrazvukového ultrazvuku typu sondy UP400S znížila priemernú veľkosť častíc agregátov na rozsah 40–60 nm. Vedci dospeli k záveru, že veľké a husté agregáty nitridu boritého, ktoré boli pozorované v neupravenom suchom stave, sú rozbité ultrazvukovým procesom a pridaním povrchovo aktívnych látok. Vďaka tomu je ultrazvuková disperzia účinnou metódou na prípravu nanokvapalín na báze vody s rôznymi koncentráciami častíc.
[porovnaj Ilhan a kol., 2016]
STEM obrázok znázorňujúci morfológiu ultrazvukovo dispergovanej hBN nanokvapaliny na báze etylénglykolu (EG) s koncentráciou 0,5 % objemu častíc.
(Štúdia a grafy: © Ilhan et al., 2016)
“Ultrazvuk je najpoužívanejším procesom v literatúre na zvýšenie stability nanokvapalín.” [Ilhan a kol., 2016] A tiež v priemyselnej výrobe je sonikácia v súčasnosti najúčinnejšou, najspoľahlivejšou a najekonomickejšou technikou na získanie dlhodobo stabilných nanokvapalín s vynikajúcim výkonom.
Priemyselné ultrazvukové prístroje na výrobu chladiacej kvapaliny
Vedecky dokázané, priemyselne etablované – Ultrazvukové prístroje Hielscher na výrobu nanokvapalín
Ultrazvukové dispergátory s vysokým šmykom sú spoľahlivé stroje na kontinuálnu výrobu vysokovýkonných chladiacich kvapalín a kvapalín na prenos tepla. Ultrazvukom riadené miešanie je známe svojou účinnosťou a spoľahlivosťou – Aj keď platia náročné podmienky miešania.
Zariadenie Hielscher Ultrasonics umožňuje pripraviť netoxické, nebezpečné, niektoré dokonca aj potravinárske nanokvapaliny. Všetky naše ultrazvukové prístroje sú zároveň vysoko účinné, spoľahlivé, bezpečné a veľmi robustné. Skonštruované pre prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni, dokonca aj naše stolové a stredne veľké ultrazvukové prístroje sú schopné produkovať pozoruhodné objemy.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej výrobe nanokvapalín alebo nás kontaktujte hneď teraz a získajte hĺbkovú konzultáciu a bezplatný návrh ultrazvukového dispergátora!
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150 l | 3 až 15 l/min | UIP6000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, disperziu, emulgáciu a extrakciu v laboratórnom, pilotnom a priemyselnom 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, ktoré stoja za to vedieť
Prečo sú nanokvapaliny dobré na chladenie a prenos tepla?
Novou triedou chladiacich kvapalín sú nanokvapaliny, ktoré pozostávajú zo základnej kvapaliny (napr. vody), ktorá pôsobí ako nosná kvapalina pre nanočastice. Účelovo navrhnuté nanočastice (napr. nanorozmery CuO, oxid titaničitý oxidu hlinitého, uhlíkové nanotrubice, oxid kremičitý alebo kovy ako meď, strieborné nanotyčinky) rozptýlené v základnej tekutine môžu výrazne zvýšiť kapacitu prenosu tepla výslednej nanokvapaliny. Vďaka tomu sú nanokvapaliny mimoriadne vysokovýkonnými chladiacimi kvapalinami.
Použitie špeciálne vyrobených nanokvapalín obsahujúcich tepelne vodivé nanočastice umožňuje výrazné zlepšenie prenosu a rozptylu tepla; napr. strieborné nanotyče 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 nanotyčiniek 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 vytvárajú na ochladenom objekte drsný pórovitý povrch, ktorý podporuje tvorbu nových bublín a ich hydrofilná povaha ich potom pomáha vytláčať a brániť tvorbe parnej vrstvy. Nanokvapalina s koncentráciou vyššou ako 5% pôsobí ako nenewtonovské kvapaliny. (porovnaj (Oldenburg et al., 2007)
Pridanie kovových nanočastíc do chladiacich kvapalín používaných v systémoch tepelnej regulácie môže dramaticky zvýšiť tepelnú vodivosť základnej tekutiny. Takéto kompozitné materiály kovových nanočastíc a tekutín sa označujú ako nanokvapaliny a ich použitie ako chladiacich chladív má potenciál znížiť požiadavky na hmotnosť a výkon systémov tepelnej kontroly kozmických lodí. Tepelná vodivosť nanokvapalín závisí od koncentrácie, veľkosti, tvaru, povrchovej chémie a agregačného stavu nanočastíc, ktoré sú základom. Skúmali sa účinky koncentrácie nanočastíc a pomeru strán nanočastíc na tepelnú vodivosť a viskozitu chladiacich kvapalín na báze vody a etylénglykolu. Strieborné nanotyčinky 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 % pri zaťažovacej koncentrácii striebornej nanotyče 0,5 % objemovej. Dlhšie nanotyče mali väčší vplyv na tepelnú vodivosť ako kratšie nanotyče pri rovnakej hustote zaťaženia. Dlhšie nanotyče však tiež zvýšili viskozitu základnej tekutiny vo väčšej miere ako kratšie nanotyčinky.
(Oldenburg a kol., 2007)
Spoločnosť Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórium do priemyselná veľkosť.