Kylmedel baserade på termoledande nanofluider
Ultraljud syntetiserade nanofluider är effektiva kylmedel och värmeväxlare vätskor. Termoledande nanomaterial ökar värmeöverförings- och värmeavledningskapaciteten avsevärt. Ultraljudsbehandling är väl etablerad i syntes och funktionalisering av termoledande nanopartiklar samt produktion av stabila högpresterande nanofluider för kylning applikationer.
Nanofluidiska effekter på termohydraulisk prestanda
Värmeledningsförmågan hos ett material är ett mått på dess förmåga att leda värme. För kylmedel och värmeöverföringsvätska (även kallad termisk vätska eller termisk olja) önskas en hög värmeledningsförmåga. Många nanomaterial har fantastiska termoledande egenskaper. För att kunna använda nanomaterialens överlägsna termiska bedrift används så kallade nanofluider som kylvätskor. En nanofluids är en vätska, i vilken nanometerstora partiklar suspenderas i basvätskan som vatten, glykol eller olja, där de bildar en kolloidal lösning. Nanofluider kan avsevärt öka värmeledningsförmågan jämfört med vätskor utan nanopartiklar eller större partiklar. Material, storlek, viskositet, ytladdning och vätskestabilitet hos de dispergerade nanopartiklarna påverkar nanofluidernas termiska prestanda avsevärt. Nanofluider blir snabbt allt viktigare i värmeöverföringstillämpningar eftersom de visar överlägsen värmeöverföringsprestanda jämfört med konventionella basvätskor.
Ultraljud dispersion är en mycket effektiv, pålitlig och industriellt etablerad teknik för att producera nanofluider med högpresterande värmeöverföring kapacitet.
UP400St, en 400W kraftfull ultraljudsprocessor för produktion av nanofluider med överlägsen värmeledningsförmåga.
- ett högt yt-/volymförhållande för betydligt högre energi- och massöverföringshastigheter
- låg massa för mycket god kolloidal stabilitet
- låg tröghet, vilket minimerar erosion
Dessa nanostorleksrelaterade egenskaper ger nanofluider deras exceptionella värmeledningsförmåga. Ultraljud dispersion är den mest effektiva tekniken för att producera funktionaliserade nanopartiklar och nanofluider.
Ultraljud producerade nanofluider med överlägsen termisk gynnsamhet
Många nanomaterial – såsom CNT, kiseldioxid, grafen, aluminium, silver, bornitrid och många andra – har redan visat sig öka värmeöverföringsvätskornas termiska bidrag. Nedan kan du hitta exemplifierande forskningsresultat för termoledande nanofluider beredda under ultraljud.
Alumiunium-baserad nanofluidproduktion med ultraljud
(2015) visade den förbättrade värmeledningsförmågan hos Al2O3 nanofluider, som framställdes under ultraljud.
För att sprida Al2O3 nanopartiklar enhetligt i vatten, forskarna använde Hielscher sond-typ ultrasonicator UP400S. Ultraljud deagglomererade och dispergerade aluminiumpartiklar som ges i en partikelstorlek på ca 120 nm för alla nanofluider – oberoende av partikelkoncentrationen. Värmeledningsförmågan hos nanofluider ökade vid högre temperaturer jämfört med rent vatten. Med 0,5% Al2O3 partikelkoncentration vid rumstemperatur på 25 ° C är ökningen av värmeledningsförmågan endast cirka 0,57%, men vid 65 ° C ökar detta värde till cirka 8%. För volymkoncentration på 4% går förbättringen från 7,6% till 14,4% med en temperatur som stiger från 25 ° C till 65 ° C.
[jfr Buonomo m.fl., 2015]
Partikelstorleksfördelning av vattenbaserade bornitrid nanofluider med olika bornitridkoncentration efter ultraljud med UP400S (a) 0.1% hBN, (b) 0.5% hBN, (c) 2% hBN
(Studie och grafer: © Ilhan et al., 2016)
Bor nitrid-baserade Nanofluid produktion med ultraljudsbehandling
(2016) undersökte värmeledningsförmågan hos sexkantig bornitrid (hBN) baserade nanofluider. För detta ändamål produceras en serie väl dispergerade, stabila nanofluider, innehållande hBN-nanopartiklar med en medeldiameter på 70 nm, med en tvåstegsmetod som involverar ultraljud och ytaktiva ämnen såsom natriumdodecylsulfat (SDS) och polyvinylpyrrolidon (PVP). Den ultraljud dispergerade hBN–vatten nanofluid visar betydande värmeledningsförmåga öka även för mycket utspädda partikel koncentrationer. Ultraljudsbehandling med sond-typ ultrasonicator UP400S minskade den genomsnittliga partikelstorleken på aggregat ner till 40–60 nm intervall. Forskarna drar slutsatsen att stora och täta bornitridaggregat, som observerades i obehandlat torrt tillstånd, bryts med ultraljudsprocessen och ytaktivt tillsats. Detta gör ultraljud dispersion en effektiv metod för beredning av vattenbaserade nanofluider med olika partikel koncentrationer.
[jfr Ilhan et al., 2016]
STEM-bild som visar morfologi av en ultraljud dispergerad en etylenglykol (EG) - baserad hBN nanofluid med 0.5% partikelvolymkoncentration.
(Studie och grafer: © Ilhan et al., 2016)
“Ultraljud är den mest använda processen i litteraturen för att öka stabiliteten hos nanofluider.” [Ilhan et al., 2016] Och även i industriell produktion är ultraljudsbehandling idag den mest effektiva, pålitliga och ekonomiska tekniken för att få långsiktiga stabila nanofluider med enastående prestanda.
Industriella ultrasonicators för kylvätskeproduktion
Vetenskapligt bevisat, industriellt etablerat – Hielscher Ultrasonicators för Nanofluid produktion
Ultraljud högskjuvningsdisperser är pålitliga maskiner för kontinuerlig produktion av högpresterande kylmedel och värmeöverföringsvätskor. Ultraljudsdriven blandning är känd för sin effektivitet och tillförlitlighet – även när krävande blandningsförhållanden gäller.
Hielscher Ultrasonics utrustning gör det möjligt att förbereda giftfria, icke-farliga, vissa även livsmedelskvalitet nanofluider. Samtidigt är alla våra ultrasonicators mycket effektiva, pålitliga, säkra att använda och mycket robusta. Byggd för 24/7 drift, även våra bänk-top och medelstora ultrasonicators kan producera anmärkningsvärda volymer.
Läs mer om ultraljudsproduktion av nanofluider eller kontakta oss just nu för att få fördjupad konsultation och ett gratis förslag på en ultraljudsdisperser!
Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera:
| batch Volym | Flödeshastighet | Rekommenderade Devices |
|---|---|---|
| 1 till 500 ml | 10 till 200 ml / min | UP100H |
| 10 till 2000 ml | 20 till 400 ml / min | Uf200 ः t, UP400St |
| 0.1 till 20L | 0.2 till 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 till 100 liter | 2 till 10 1 / min | UIP4000hdT |
| 15 till 150L | 3 till 15 liter/min | UIP6000hdT |
| n.a. | 10 till 100 l / min | UIP16000 |
| n.a. | större | kluster av UIP16000 |
Kontakta oss! / Fråga oss!
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer för blandning av applikationer, spridning, emulgering och utvinning på labb, pilot och industriell skala.
Litteratur / Referenser
- 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.
Fakta Värt att veta
Varför är nanofluider bra för kyl- och värmeöverföringsapplikationer?
En ny klass av kylmedel är nanofluider som består av en basvätska (t.ex. vatten), som fungerar som bärarvätska för partiklar i nanostorlek. Specialdesignade nanopartiklar (t.ex. CuO i nanostorlek, aluminiumoxid titandioxid, kolnanorör, kiseldioxid eller metaller som koppar, silvernanoroder) dispergerade i basvätskan kan förbättra värmeöverföringskapaciteten hos den resulterande nanofluiden avsevärt. Detta gör nanofluider extraordinära högpresterande kylvätskor.
Användning av specifikt tillverkade nanofluider som innehåller termoledande nanopartiklar möjliggör betydande förbättringar av värmeöverföring och avledning; t.ex. silvernanoroder med en diameter på 55±12 nm och en genomsnittlig längd på 12,8 μm vid 0,5 vol.% ökade vattnets värmeledningsförmåga med 68% och 0,5 vol.% av silvernanoroderna ökade värmeledningsförmågan hos etylenglykolbaserat kylvätska med 98%. Aluminiumoxidnanopartiklar vid 0,1% kan öka det kritiska värmeflödet av vatten med så mycket som 70%; Partiklarna bildar grov porös yta på det kylda föremålet, vilket uppmuntrar bildandet av nya bubblor, och deras hydrofila natur hjälper sedan till att skjuta bort dem, vilket hindrar bildandet av ångskiktet. Nanofluid med koncentrationen mer än 5% fungerar som icke-newtonska vätskor. (jfr (Oldenburg m.fl., 2007)
Tillsatsen av metallnanopartiklar till kylmedel som används i termiska styrsystem kan dramatiskt öka basvätskans värmeledningsförmåga. Sådana metallnanopartikelvätskekompositmaterial kallas nanofluider och deras användning som kylmedel har potential att minska vikt- och effektkraven för rymdfarkosters termiska styrsystem. Nanofluidernas värmeledningsförmåga är beroende av koncentrationen, storleken, formen, ytkemin och aggregeringstillståndet för de ingående nanopartiklarna. Effekterna av nanopartikelbelastningskoncentration och nanopartiklarnas bildförhållande på värmeledningsförmågan och viskositeten hos vatten- och etylenglykolbaserade kylmedel undersöktes. Silvernanoroder med en diameter av 55 ± 12 nm och en genomsnittlig längd av 12,8 ± 8,5 μm vid en koncentration av 0,5 volymprocent ökade värmeledningsförmågan hos vatten med 68%. Värmeledningsförmågan hos ett etylenglykolbaserat kylvätska ökades med 98% med en silvernanorodbelastningskoncentration på 0,5 volymprocent. Längre nanoroder hade större effekt på värmeledningsförmågan än kortare nanoroder vid samma belastningstäthet. Men längre nanoroder ökade också viskositeten hos basvätskan i större utsträckning än kortare nanoroder.
(Oldenburg m.fl., 2007)
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljud homogenisatorer från Labb till industriell storlek.