Chladiace kvapaliny na báze tepelne vodivých nanokvapalín
Nanokvapaliny syntetizované ultrazvukom sú účinnými chladiacimi kvapalinami a kvapalinami pre výmenníky tepla. Tepelne vodivé nanomateriály výrazne zvyšujú schopnosť prenosu a odvádzania tepla. Sonikácia je osvedčenou metódou pri syntéze a funkcionalizácii tepelne vodivých nanočastíc, ako aj pri výrobe stabilných, vysoko výkonných nanokvapalín na chladiace aplikácie.
Vplyv nanokvapalín na tepelno-hydraulický výkon
Tepelná vodivosť materiálu je mierou jeho schopnosti viesť teplo. Pri chladiacich a teplonosných kvapalinách (nazývaných aj tepelné kvapaliny alebo tepelné oleje) je žiaduca vysoká tepelná vodivosť. Mnohé nanomateriály majú vynikajúce tepelne vodivé vlastnosti. Na využitie mimoriadnej tepelnej vodivosti nanomateriálov sa ako chladiace kvapaliny používajú takzvané nanokvapaliny. Nanokvapalina je kvapalina, v ktorej sú častice s nanometrovými rozmermi suspendované v základnej kvapaline, ako je voda, glykol alebo olej, kde tvoria koloidný roztok. Nanokvapaliny môžu mať výrazne vyššiu tepelnú vodivosť v porovnaní s kvapalinami bez nanočastíc alebo väčších častíc. Materiál, veľkosť, viskozita, povrchový náboj a stabilita dispergovaných nanočastíc v kvapaline výrazne ovplyvňujú tepelný výkon nanokvapalín. Nanokvapaliny rýchlo získavajú na význame v aplikáciách prenosu tepla, pretože v porovnaní s bežnými základnými kvapalinami vykazujú lepší výkon pri prenose tepla.
Ultrazvuková dispergácia je vysoko účinná, spoľahlivá a priemyselne zavedená technika výroby nanokvapalín s vysokou schopnosťou prenosu tepla.
- vysoký pomer povrchu : 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 nanometrovými rozmermi dodávajú nanokvapalinám ich výnimočnú tepelnú vodivosť. Ultrazvuková dispergácia je najúčinnejšou technikou výroby funkcionalizovaných nanočastíc a nanokvapalín.
Nanokvapaliny s mimoriadnou tepelnou vodivosťou vyrábané ultrazvukom
Pri mnohých nanomateriáloch – ako sú CNT, oxid kremičitý, grafén, hliník, striebro, nitrid bóru a mnohé ďalšie – sa už preukázalo, že zvyšujú tepelnú vodivosť teplonosných kvapalín. Nižšie nájdete príklady výsledkov výskumu tepelne vodivých nanokvapalín pripravených pôsobením ultrazvuku.
Výroba nanokvapalín na báze hliníka pomocou ultrazvuku
Buonomo et al. (2015) preukázali zlepšenú tepelnú vodivosť nanokvapalín Al2O3 pripravených pôsobením ultrazvuku.
Na rovnomerné dispergovanie nanočastíc Al2O3 vo vode výskumníci použili sondový ultrazvukový prístroj Hielscher UP400S. Po ultrazvukovej deaglomerácii a dispergácii dosiahli hliníkové častice veľkosť približne 120 nm vo všetkých nanokvapalinách – nezávisle od koncentrácie častíc. Tepelná vodivosť nanokvapalín sa pri vyšších teplotách zvyšovala v porovnaní s čistou vodou. Pri koncentrácii častíc Al2O3 0,5% a izbovej teplote 25°C je nárast tepelnej vodivosti len približne 0,57%, ale pri 65°C sa táto hodnota zvyšuje na približne 8%. Pri objemovej koncentrácii 4% sa zvýšenie tepelnej vodivosti mení zo 7,6% na 14,4% pri náraste teploty z 25°C na 65°C.
[porov. Buonomo et al., 2015]
Distribúcia veľkosti častíc nanokvapalín na báze vody a nitridu bóru s rôznymi koncentráciami nitridu bóru po pôsobení ultrazvuku pomocou UP400S (a) 0,1% hBN, (b) 0,5% hBN, (c) 2% hBN
(Štúdia a grafy: © Ilhan et al., 2016)
Výroba nanokvapalín na báze nitridu bóru pomocou sonikácie
Ilhan et al. (2016) skúmali tepelnú vodivosť nanokvapalín na báze hexagonálneho nitridu bóru (hBN). Na tento účel sa séria dobre dispergovaných, stabilných nanokvapalín obsahujúcich nanočastice hBN s priemerným priemerom 70 nm pripravuje dvojstupňovou metódou zahŕňajúcou pôsobenie ultrazvuku a povrchovo aktívne látky, ako sú dodecylsulfát sodný (SDS) a polyvinylpyrolidón (PVP). Ultrazvukom dispergovaná nanokvapalina hBN–voda vykazuje výrazné zvýšenie tepelnej vodivosti aj pri veľmi nízkych koncentráciách častíc. Sonikácia pomocou sondového ultrazvukového prístroja UP400S znížila priemernú veľkosť častíc agregátov až na rozsah 40–60 nm. Výskumníci dospeli k záveru, že veľké a husté agregáty nitridu bóru, ktoré pozorovali v neošetrenom suchom stave, sa rozrušujú pôsobením ultrazvuku a pridaním povrchovo aktívnych látok. Vďaka tomu je ultrazvuková dispergácia účinnou metódou prípravy nanokvapalín na báze vody s rôznymi koncentráciami častíc.
[cf. Ilhan et al., 2016]
Snímka STEM zobrazujúca morfológiu ultrazvukom dispergovanej nanokvapaliny hBN na báze etylénglykolu (EG) s objemovou koncentráciou častíc 0,5%.
(Štúdia a grafy: © Ilhan et al., 2016)
„Pôsobenie ultrazvuku je v literatúre najčastejšie využívaným postupom na zvýšenie stability nanokvapalín.“ [Ilhan et al., 2016] Aj v priemyselnej výrobe je dnes sonikácia najúčinnejšou, najspoľahlivejšou a najhospodárnejšou technikou na získanie dlhodobo stabilných nanokvapalín s vynikajúcimi úžitkovými vlastnosťami.
Priemyselné ultrazvukové prístroje na výrobu chladiacich kvapalín
Vedecky overené, zavedené v priemysle – ultrazvukové prístroje Hielscher na výrobu nanokvapalín
Ultrazvukové dispergátory s vysokým šmykovým namáhaním sú spoľahlivé stroje na kontinuálnu výrobu vysokovýkonných chladiacich a teplonosných kvapalín. Miešanie pomocou ultrazvuku je známe svojou účinnosťou a spoľahlivosťou – aj pri náročných podmienkach miešania.
Zariadenia Hielscher Ultrasonics umožňujú pripravovať netoxické nanokvapaliny bez nebezpečných vlastností, niektoré dokonca vhodné na použitie v potravinárstve. Všetky naše ultrazvukové prístroje sú zároveň vysoko účinné, spoľahlivé, bezpečné pri prevádzke a veľmi robustné. Aj naše stolové a stredne veľké ultrazvukové prístroje, skonštruované na prevádzku 24/7, dokážu produkovať pozoruhodné objemy.
Prečítajte si viac o ultrazvukovej výrobe nanokvapalín alebo nás kontaktujte hneď teraz a získajte podrobnú konzultáciu a bezplatnú ponuku ultrazvukového dispergátora!
Nasledujúca tabuľka poskytuje predstavu o približnej spracovateľskej kapacite našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500mL | 10 až 200mL/min | UP100H |
| 10 až 2000mL | 20 až 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 až 20L | 0,2 až 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100L | 2 až 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 až 150L | 3 až 15L/min | UIP6000hdT |
| nevzťahuje sa | 10 až 100L/min | UIP16000 |
| nevzťahuje sa | vyšší | zoskupenie zariadení UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory na miešanie, dispergáciu, emulgáciu a extrakciu v laboratórnom, poloprevádzkovom 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.
Užitočné fakty
Prečo sú nanokvapaliny vhodné na chladenie a prenos tepla?
Novou triedou chladiacich kvapalín sú nanokvapaliny, ktoré pozostávajú zo základnej kvapaliny (napr. vody), ktorá slúži ako nosná kvapalina pre častice nanometrových rozmerov. Nanočastice navrhnuté na konkrétny účel (napr. CuO nanometrových rozmerov, oxid hlinitý oxid titaničitý, uhlíkové nanorúrky, oxid kremičitý alebo kovy, ako sú meď či strieborné nanotyčinky) dispergované v základnej kvapaline môžu výrazne zvýšiť schopnosť výslednej nanokvapaliny prenášať teplo. Vďaka tomu sú nanokvapaliny mimoriadne výkonné chladiace kvapaliny.
Používanie špeciálne vyrobených nanokvapalín obsahujúcich tepelne vodivé nanočastice umožňuje výrazne zlepšiť prenos a odvádzanie tepla; napr. strieborné nanotyčinky s priemerom 55±12 nm a priemernou dĺžkou 12,8 µm pri koncentrácii 0,5 vol.% zvýšili tepelnú vodivosť vody o 68% a 0,5 vol.% strieborných nanotyčiniek zvýšilo tepelnú vodivosť chladiacej kvapaliny na báze etylénglykolu o 98%. Nanočastice oxidu hlinitého pri koncentrácii 0,1% môžu zvýšiť kritický tepelný tok vody až o 70%; častice vytvárajú na chladenom objekte drsný pórovitý povrch, ktorý podporuje tvorbu nových bublín, a ich hydrofilná povaha potom pomáha tieto bubliny vytláčať preč, čím bráni vzniku parnej vrstvy. Nanokvapalina s koncentráciou vyššou ako 5% sa správa ako nenewtonovské kvapaliny. (porov. (Oldenburg et al., 2007)
Pridanie kovových nanočastíc do chladiacich kvapalín používaných v systémoch tepelnej regulácie môže výrazne zvýšiť tepelnú vodivosť základnej kvapaliny. Takéto kompozitné materiály z kovových nanočastíc a kvapaliny sa označujú ako nanokvapaliny a ich použitie ako chladiacich kvapalín má potenciál znížiť hmotnosť a energetické nároky systémov tepelnej regulácie kozmických lodí. Tepelná vodivosť nanokvapalín závisí od koncentrácie, veľkosti, tvaru, povrchovej chémie a stavu agregácie nanočastíc, ktoré ich tvoria. Skúmali sa účinky koncentrácie pridaných nanočastíc a pomeru ich rozmerov 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 objemovej koncentrácii 0,5% zvýšili tepelnú vodivosť vody o 68%. Tepelná vodivosť chladiacej kvapaliny na báze etylénglykolu sa pri objemovej koncentrácii pridaných strieborných nanotyčiniek 0,5% zvýšila o 98%. Dlhšie nanotyčinky mali pri rovnakej hustote pridaných častíc väčší vplyv na tepelnú vodivosť ako kratšie nanotyčinky. Dlhšie nanotyčinky však zároveň zvýšili viskozitu základnej kvapaliny vo väčšej miere ako kratšie nanotyčinky.
(Oldenburg et al., 2007)
Hielscher Ultrasonics vyrába vysokovýkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratórnych až po priemyselné rozmery.