Hladilna sredstva na osnovi termoprevodnih nanofluidov
Ultrazvočno sintetizirani nanofluidi so učinkovita hladilna sredstva in tekočine toplotnega izmenjevalnika. Termoprevodni nanomateriali znatno povečajo prenos toplote in zmogljivost odvajanja toplote. Sonication je dobro uveljavljen pri sintezi in funkcionalizaciji termoprevodnih nanodelcev ter proizvodnji stabilnih visoko zmogljivih nanofluidov za hlajenje
Nanofluidni učinki na toplotno-hidravlično zmogljivost
Toplotna prevodnost materiala je merilo njegove sposobnosti prevajanja toplote. Za hladilna sredstva in tekočino za prenos toplote (imenovano tudi toplotna tekočina ali termalno olje) je zaželena visoka toplotna prevodnost. Številni nanomateriali ponujajo odlične toplotno prevodne lastnosti. Da bi izkoristili vrhunsko toplotno vhodnost nanomaterialov, se kot hladilne tekočine uporabljajo tako imenovani nanofluidi. Nanofluidi so tekočina, v kateri so nanometrski delci suspendirani v osnovni tekočini, kot so voda, glikol ali olje, kjer tvorijo koloidno raztopino. Nanofluidi lahko znatno povečajo toplotno prevodnost v primerjavi s tekočinami brez nanodelcev ali večjih delcev. Material, velikost, viskoznost, površinski naboj in stabilnost tekočine razpršenih nanodelcev pomembno vplivajo na toplotno učinkovitost nanofluidov. Nanofluidi hitro pridobivajo na pomenu v aplikacijah za prenos toplote, saj kažejo vrhunsko zmogljivost prenosa toplote v primerjavi s konvencionalnimi baznimi tekočinami.
Ultrazvočna disperzija je zelo učinkovita, zanesljiva in industrijsko uveljavljena tehnika za proizvodnjo nanofluidov z visoko zmogljivimi zmogljivostmi prenosa toplote.
UP400St, 400W zmogljiv ultrazvočni procesor za proizvodnjo nanofluidov z vrhunsko toplotno prevodnostjo.
- Visoko razmerje med površino in prostornino za bistveno višje hitrosti prenosa energije in mase
- majhna masa za zelo dobro koloidno stabilnost
- nizka vztrajnost, ki zmanjšuje erozijo
Te lastnosti, povezane z nanovelikostjo, dajejo nanofluidom izjemno toplotno prevodnost. Ultrazvočna disperzija je najučinkovitejša tehnika za proizvodnjo funkcionaliziranih nanodelcev in nanofluidov.
Ultrazvočno proizvedeni nanofluidi z vrhunsko toplotno prilagodljivostjo
Številni nanomateriali – kot so CNT, silicijev dioksid, grafen, aluminij, srebro, borov nitrid in mnogi drugi – dokazano je, da povečujejo toplotno vhodnost tekočin za prenos toplote. Spodaj lahko najdete zgledne rezultate raziskav za toplotno prevodne nanofluide, pripravljene z ultrazvokom.
Proizvodnja nanofluidov na osnovi alumiunija z ultrazvokom
Buonomo et al. (2015) so pokazali izboljšano toplotno prevodnost nanofluidov Al2O3, ki so bili pripravljeni pod ultrazvokom.
Da bi nanodelce Al2O3 enakomerno razpršili v vodo, so raziskovalci uporabili ultrazvočni zvočnik tipa Hielscher sonde UP400S. Ultrazvočno deaglomerirani in razpršeni aluminijasti delci so dobili velikost delcev približno 120 nm za vse nanofluide – neodvisno od koncentracije delcev. Toplotna prevodnost nanofluidov se je povečevala pri višjih temperaturah v primerjavi s čisto vodo. Pri 0,5-odstotni koncentraciji delcev Al2O3 pri sobni temperaturi 25 °C je povečanje toplotne prevodnosti le okoli 0,57 %, pri 65 °C pa se ta vrednost poveča na približno 8 %. Za prostorninsko koncentracijo 4% se povečanje poveča s 7,6% na 14,4%, temperatura pa se dvigne s 25 °C na 65 °C.
[prim. Buonomo et al., 2015]
Porazdelitev velikosti delcev nanofluidov borovega nitrida na vodni osnovi z različnimi koncentracijami borovega nitrida po ultrazvočni obdelavi z UP400S (a) 0,1 % hBN, (b) 0,5 % hBN, (c) 2 % hBN
(Študija in grafi: © Ilhan et al., 2016)
Proizvodnja nanofluidov na osnovi borovega nitrida z uporabo ultrazvočnega razbijanja
(2016) so raziskali toplotno prevodnost nanofluidov na osnovi heksagonalnega borovega nitrida (hBN). V ta namen se proizvaja vrsta dobro razpršenih, stabilnih nanofluidov, ki vsebujejo nanodelce hBN s povprečnim premerom 70 nm, z dvostopenjsko metodo, ki vključuje ultrazvočno razglaševanje in površinsko aktivne snovi, kot sta natrijev dodecil sulfat (SDS) in polivinil pirolidon (PVP). Ultrazvočno razpršena nanotekočina hBN-voda kaže znatno povečanje toplotne prevodnosti tudi pri zelo razredčenih koncentracijah delcev. Ultrazvočno razbijanje s sondnim ultrazvočnim aparatom UP400S je zmanjšalo povprečno velikost delcev agregatov na območje 40–60 nm. Raziskovalci ugotavljajo, da so veliki in gosto agregati borovega nitrida, ki so jih opazili v neobdelanem suhem stanju, prekinjeni z ultrazvočnim postopkom in dodajanjem površinsko aktivnih snovi. Zaradi tega je ultrazvočna disperzija učinkovita metoda za pripravo nanofluidov na vodni osnovi z različnimi koncentracijami delcev.
[prim. Ilhan et al., 2016]
STEM slika, ki prikazuje morfologijo ultrazvočno razpršenega hBN nanofluida na osnovi etilen glikola (EG) z 0,5% volumno koncentracijo delcev.
(Študija in grafi: © Ilhan et al., 2016)
“Ultrasonication je najbolj razširjen postopek v literaturi za povečanje stabilnosti nanofluidov.” [Ilhan et al., 2016] Tudi v industrijski proizvodnji je ultrazvočna obdelava danes najučinkovitejša, zanesljiva in ekonomična tehnika za pridobivanje dolgoročno stabilnih nanofluidov z izjemnimi zmogljivostmi.
Industrijski ultrazvočni aparati za proizvodnjo hladilne tekočine
Znanstveno dokazano, industrijsko uveljavljeno – Hielscher ultrazvočni aparati za proizvodnjo nanofluidov
Ultrazvočni razpršilniki z visokim striženjem so zanesljivi stroji za neprekinjeno proizvodnjo visoko zmogljivih hladilnih sredstev in tekočin za prenos toplote. Ultrazvočno mešanje je znano po svoji učinkovitosti in zanesljivosti – tudi pri zahtevnih pogojih mešanja.
Hielscher Ultrasonics oprema omogoča pripravo nestrupenih, nenevarnih, nekaterih celo živilskih nanofluidov. Hkrati so vsi naši ultrazvočni aparati zelo učinkoviti, zanesljivi, varni za uporabo in zelo robustni. Zgrajeni za delovanje 24 ur na dan, 7 dni v tednu, so tudi naši namizni in srednje veliki ultrazvočni aparati sposobni proizvajati izjemne količine.
Preberite več o ultrazvočni proizvodnji nanofluidov ali nas kontaktirajte zdaj, da dobite poglobljeno posvetovanje in brezplačen predlog za ultrazvočni razpršilnik!
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
| Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| 15 do 150L | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje za mešanje, disperzijo, emulgacijo in ekstrakcijo v laboratorijski, pilotni in industrijski ravni.
Literatura / Reference
- 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.
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
Zakaj so nanofluidi dobri za hlajenje in prenos toplote?
Nov razred hladilnih sredstev so nanofluidi, ki so sestavljeni iz osnovne tekočine (npr. vode), ki deluje kot nosilna tekočina za nanodelce. Namensko zasnovani nanodelci (npr. nano-velikost CuO, aluminijev titanov dioksid, ogljikove nanocevke, silicijev dioksid ali kovine, kot so baker, srebrne nanopalice), razpršeni v osnovno tekočino, lahko znatno povečajo zmogljivost prenosa toplote nastalega nanofluida. Zaradi tega so nanofluidi izjemno visoko zmogljive hladilne tekočine.
Uporaba posebej izdelanih nanofluidov, ki vsebujejo toplotno prevodne nanodelce, omogoča znatno izboljšanje prenosa in razprševanja toplote; npr. srebrne nanopalice s premerom 55±12 nm in povprečno dolžino 12,8 μm pri 0,5 vol. % so povečale toplotno prevodnost vode za 68 %, 0,5 vol. % srebrnih nanopalic pa je povečalo toplotno prevodnost hladilne tekočine na osnovi etilen glikola za 98 %. Nanodelci aluminijevega oksida pri 0,1% lahko povečajo kritični toplotni tok vode za kar 70%; Delci na ohlajenem predmetu tvorijo grobo porozno površino, ki spodbuja nastanek novih mehurčkov, njihova hidrofilna narava pa jih nato pomaga potisniti stran in ovirati nastanek parne plasti. Nanofluid s koncentracijo več kot 5% deluje kot ne-Newtonove tekočine. (prim. (Oldenburg et al., 2007)
Dodajanje kovinskih nanodelcev hladilnim sredstvom, ki se uporabljajo v sistemih za toplotno nadzor, lahko dramatično poveča toplotno prevodnost osnovne tekočine. Takšni kompozitni materiali kovinskih nanodelcev in tekočine se imenujejo nanofluidi in njihova uporaba kot hladilnih sredstev lahko zmanjša zahteve po teži in moči sistemov za toplotno krmiljenje vesoljskih plovil. Toplotna prevodnost nanofluidov je odvisna od koncentracije, velikosti, oblike, površinske kemije in agregacijskega stanja sestavnih nanodelcev. Raziskani so bili učinki koncentracije nanodelcev in razmerja nanodelcev na toplotno prevodnost in viskoznost hladilnih sredstev na osnovi vode in etilen glikola. Srebrne nanopalice s premerom 55 ± 12 nm in povprečno dolžino 12,8 ± 8,5 μm pri koncentraciji 0,5 vol. % so povečale toplotno prevodnost vode za 68 %. Toplotna prevodnost hladilne tekočine na osnovi etilen glikola se je povečala za 98% s koncentracijo polnjenja srebrne nanopalice 0,5% prostornine. Daljše nanopalice so imele večji učinek na toplotno prevodnost kot krajše nanopalice pri enaki gostoti obremenitve. Vendar pa so daljše nanopalice povečale tudi viskoznost bazne tekočine v večji meri kot krajše nanopalice.
(Oldenburg et al., 2007)
Hielscher Ultrasonics proizvaja visoko zmogljive ultrazvočne homogenizatorje iz laboratorij k industrijska velikost.