Kylmedel baserade på termoledande nanofluider
Ultraljudssyntetiserade nanovätskor är effektiva kylmedel och värmeväxlarvätskor. Värmeledande nanomaterial ökar värmeöverföringen och värmeavledningskapaciteten avsevärt. Ultraljudsbehandling är väl etablerad i syntes och funktionalisering av termoledande nanopartiklar samt produktion av stabila högpresterande nanofluider för kylningsapplikationer.
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 utmärkta värmeledande egenskaper. För att utnyttja nanomaterialens överlägsna värmeförmåga används så kallade nanofluider som kylvätskor. En nanofluid 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 sin värmeledningsförmåga 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 allt viktigare i värmeöverföringstillämpningar eftersom de uppvisar överlägsen värmeöverföringsprestanda jämfört med konventionella basvätskor.
Ultraljudsdispersion är en mycket effektiv, pålitlig och industriellt etablerad teknik för att producera nanofluider med högpresterande värmeöverföringskapacitet.
- En hög yta : volymförhållande för betydligt högre energi- och massöverföringshastigheter
- Låg massa för mycket god kolloidal stabilitet
- Låg tröghet, vilket minimerar erosion
Dessa egenskaper i nanostorlek ger nanofluider deras exceptionella värmeledningsförmåga. Ultraljudsdispersion är den mest effektiva tekniken för att producera funktionaliserade nanopartiklar och nanofluider.
Ultraljudsproducerade nanovätskor med överlägsen termisk konduktivitet
Många nanomaterial – såsom CNT, kiseldioxid, grafen, aluminium, silver, bornitrid och många andra – har redan visat sig öka den termiska konduktiviteten hos värmeöverföringsvätskor. Nedan hittar du exempel på forskningsresultat för termoledande nanofluider framställda under ultraljud.
Aluminiumbaserad nanofluidproduktion med ultraljud
Buonomo et al. (2015) visade den förbättrade värmeledningsförmågan hos Al2O3 nanofluider, som framställdes under ultraljud.
För att sprida Al2O3 nanopartiklar jämnt i vatten använde forskarna Hielscher-sond-typ ultraljudsapparat UP400S. Ultraljudsdeagglomererade och dispergerade aluminiumpartiklar erhållna i en partikelstorlek på ca 120 nm för alla nanofluider – oberoende av partikelkoncentrationen. Värmeledningsförmågan hos nanovätskor 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 en volymkoncentration på 4 % går förbättringen från 7,6 % till 14,4 %, med en temperatur som stiger från 25 °C till 65 °C.
[jfr Buonomo et al., 2015]
Partikelstorleksfördelning av vattenbaserade bornitrid nanofluider med olika bornitrid koncentration efter ultraljud med UP400S (a) 0,1% hBN, (b) 0,5% hBN, (c) 2% hBN
(Studie och grafer: © Ilhan et al., 2016)
Bornitrid-baserad nanofluid produktion med hjälp av ultraljudsbehandling
Ilhan et al. (2016) undersökte värmeledningsförmågan hos hexagonal 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 ultraljudsdispergerade hBN-vattennanovätskan visar en signifikant ökning av värmeledningsförmågan även för mycket utspädda partikelkoncentrationer. Ultraljudsbehandling med sond-typ ultraljudsapparat 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 ultraljudsprocess och tillsats av ytaktiva ämnen. Detta gör ultraljudsdispersion till en effektiv metod för framställning av vattenbaserade nanofluider med olika partikelkoncentrationer.
[jfr Ilhan et al., 2016]
STEM-bild som visar morfologin hos en ultraljudsdispergerad 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, ultraljudsbehandling är numera den mest effektiva, pålitliga och ekonomiska tekniken för att erhålla långsiktigt stabila nanofluider med enastående prestanda.
Industriella ultraljudsapparater för kylvätskeproduktion
Vetenskapligt bevisat, industriellt etablerat – Hielscher ultraljudsapparater för nanofluidproduktion
Ultraljudsdispergeringsmedel med hög skjuvning är pålitliga maskiner för kontinuerlig produktion av högpresterande kylmedel och värmeöverföringsvätskor. Ultraljudsdriven blandning är känd för sin effektivitet och tillförlitlighet – även när krävande blandningsförhållanden råder.
Hielscher Ultrasonics utrustning gör det möjligt att förbereda giftfria, icke-farliga, vissa till och med nanovätskor av livsmedelskvalitet. Samtidigt är alla våra ultraljudsapparater mycket effektiva, pålitliga, säkra att använda, och mycket robusta. Byggd för 24/7 drift, även våra bänkskivor och medelstora ultraljudsapparater kan producera anmärkningsvärda volymer.
Läs mer om ultraljudsproduktion av nanofluider eller kontakta oss redan nu för att få en fördjupad konsultation och ett kostnadsfritt förslag på en ultraljudsdispergier!
Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:
| Batchvolym | Flöde | Rekommenderade enheter |
|---|---|---|
| 1 till 500 ml | 10 till 200 ml/min | UP100H |
| 10 till 2000 ml | 20 till 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 till 20L | 0.2 till 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000hdT |
| 15 till 150L | 3 till 15 l/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 blandningsapplikationer, dispersion, emulgering och extraktion i 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 som är värda att veta
Varför är nanofluider bra för kylning och värmeöverföring?
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, titandioxid av aluminiumoxid, kolnanorör, kiseldioxid eller metaller som koppar, silvernanostavar) som sprids i basvätskan kan avsevärt förbättra värmeöverföringskapaciteten hos den resulterande nanovätskan. Detta gör nanofluider till extraordinära högpresterande kylvätskor.
Användning av specifikt tillverkade nanovätskor som innehåller termoledande nanopartiklar möjliggör betydande förbättringar av värmeöverföring och avledning; T.ex. silvernanostavar med en diameter på 55±12 nm och en genomsnittlig längd på 12,8 μm vid 0,5 volymprocent ökade vattnets värmeledningsförmåga med 68 %, och 0,5 volymprocent silvernanostavar ökade värmeledningsförmågan hos etylenglykolbaserad kylvätska med 98 %. Nanopartiklar av aluminiumoxid vid 0,1 % kan öka det kritiska värmeflödet av vatten med så mycket som 70 %; Partiklarna bildar en grov porös yta på det kylda föremålet, vilket uppmuntrar bildandet av nya bubblor, och deras hydrofila natur hjälper sedan till att trycka bort dem, vilket hindrar bildandet av ångskiktet. Nanofluid med en koncentration på mer än 5 % fungerar som icke-newtonska vätskor. (jfr (Oldenburg et al., 2007)
Tillsatsen av metallnanopartiklar till kylmedel som används i termiska kontrollsystem kan dramatiskt öka basvätskans värmeledningsförmåga. Sådana metallnanopartikel-vätskekompositmaterial kallas nanofluider och deras användning som kylmedel har potential att minska vikten och effektkraven för rymdfarkosters termiska kontrollsystem. Värmeledningsförmågan hos nanofluider är beroende av koncentrationen, storleken, formen, ytkemin och aggregeringstillståndet hos de ingående nanopartiklarna. Effekterna av nanopartiklarnas belastningskoncentration och nanopartiklarnas aspektförhållande på värmeledningsförmågan och viskositeten hos vatten och etylenglykolbaserade kylmedel undersöktes. Silvernanostavar med en diameter på 55 ± 12 nm och en genomsnittlig längd på 12,8 ± 8,5 μm vid en koncentration av 0,5 volymprocent ökade vattnets värmeledningsförmåga med 68 %. Värmeledningsförmågan hos ett etylenglykolbaserat kylmedel ökades med 98 % med en silvernanorodbelastningskoncentration på 0,5 volymprocent. Längre nanostavar hade en större effekt på värmeledningsförmågan än kortare nanostavar vid samma belastningsdensitet. Längre nanostavar ökade dock också viskositeten hos basvätskan i större utsträckning än kortare nanostavar.
(Oldenburg et al., 2007)
Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från labb till industriell storlek.