Kylvätskor baserade på värmeledande nanofluider

Nanofluider som syntetiseras med ultraljud är effektiva kylvätskor och vätskor för värmeväxlare. Värmeledande nanomaterial ökar kapaciteten för värmeöverföring och värmeavledning avsevärt. Ultraljudsbehandling är väletablerad för syntes och funktionalisering av värmeledande nanopartiklar samt för framställning av stabila, högpresterande nanofluider för kyltillämpningar.

Nanofluiders effekter på termohydraulisk prestanda

Ett materials värmeledningsförmåga är ett mått på dess förmåga att leda värme. För kylvätskor och värmeöverföringsvätskor (även kallade termiska vätskor eller termiska oljor) är hög värmeledningsförmåga önskvärd. Många nanomaterial har mycket goda värmeledande egenskaper. För att utnyttja nanomaterialens överlägsna värmeledningsförmåga används så kallade nanofluider som kylvätskor. En nanofluid är en vätska i vilken partiklar i nanometerstorlek är suspenderade i en basvätska, såsom vatten, glykol eller olja, där de bildar en kolloidal lösning. Nanofluider kan ha avsevärt högre värmeledningsförmåga jämfört med vätskor utan nanopartiklar eller större partiklar. De dispergerade nanopartiklarnas material, storlek, viskositet, ytladdning och vätskestabilitet påverkar nanofluidernas termiska prestanda avsevärt. Nanofluider får snabbt ökad betydelse i värmeöverföringstillämpningar eftersom de uppvisar överlägsen värmeöverföringsprestanda jämfört med konventionella basvätskor.
Ultraljudsdispergering är en högeffektiv, tillförlitlig och industriellt etablerad teknik för att framställa nanofluider med hög värmeöverföringskapacitet.

Nanovätskor som framställs med ultraljud är effektiva kylmedier och värmeväxlarvätskor. Värmeledande nanomaterial ökar värmeöverföringen och värmeavledningsförmågan avsevärt. Ultraljudsbehandling är väletablerad för syntes och funktionalisering av värmeledande nanopartiklar samt för framställning av stabila, högpresterande nanovätskor för kyltillämpningar.

Ultraljudsbehandling gör det möjligt att utnyttja fördelarna med partiklar i nanostorlek, såsom

• ett högt förhållande mellan yta och volym för avsevärt högre energi- och massöverföringshastigheter
• låg massa för mycket god kolloidal stabilitet
• låg tröghet, vilket minimerar erosion

Dessa egenskaper, som är kopplade till nanostorleken, ger nanofluider deras exceptionella värmeledningsförmåga. Ultraljudsdispergering är den effektivaste tekniken för att framställa funktionaliserade nanopartiklar och nanofluider.

Nanofluider framställda med ultraljud med överlägsen värmeledningsförmåga

Många nanomaterial – såsom CNT:er, kiseldioxid, grafen, aluminium, silver, bornitrid och många andra – har redan visats öka värmeledningsförmågan hos värmeöverföringsvätskor. Nedan finns exempel på forskningsresultat för värmeledande nanofluider framställda med ultraljudsbehandling.

Framställning av aluminiumbaserade nanofluider med ultraljud

Buonomo et al. (2015) påvisade den förbättrade värmeledningsförmågan hos Al2O3-nanofluider som framställdes med ultraljudsbehandling.
För att dispergera Al2O3-nanopartiklar jämnt i vatten använde forskarna Hielschers ultraljudsapparat av sondtyp UP400S. Aluminiumpartiklar som deagglomererades och dispergerades med ultraljud gav en partikelstorlek på cirka 120 nm för samtliga nanofluider – oberoende av partikelkoncentrationen. Nanofluidernas värmeledningsförmåga ökade vid högre temperaturer jämfört med rent vatten. Vid en Al2O3-partikelkoncentration på 0,5% och en rumstemperatur på 25°C är ökningen av värmeledningsförmågan endast cirka 0,57%, men vid 65°C ökar detta värde till cirka 8%. Vid en volymkoncentration på 4% ökar förbättringen från 7,6% till 14,4% när temperaturen stiger från 25°C till 65°C.
[cf. Buonomo et al., 2015]

Framställning av bornitridbaserade nanofluider med ultraljudsbehandling

Ilhan et al. (2016) undersökte värmeledningsförmågan hos nanofluider baserade på hexagonal bornitrid (hBN). För detta ändamål framställs en serie väldispergerade, stabila nanofluider som innehåller hBN-nanopartiklar med en medeldiameter på 70 nm med en tvåstegsmetod som innefattar ultraljudsbehandling och ytaktiva ämnen såsom natriumdodecylsulfat (SDS) och polyvinylpyrrolidon (PVP). Den ultraljudsdispergerade hBN–vatten-nanofluiden uppvisar en betydande ökning av värmeledningsförmågan även vid mycket låga partikelkoncentrationer. Ultraljudsbehandling med den sondbaserade ultraljudsapparaten UP400S minskade aggregatens genomsnittliga partikelstorlek till intervallet 40–60 nm. Forskarna drar slutsatsen att stora och täta bornitridaggregat, som observerades i obehandlat torrt tillstånd, bryts upp genom ultraljudsbehandling och tillsats av ytaktiva ämnen. Detta gör ultraljudsdispergering till en effektiv metod för framställning av vattenbaserade nanofluider med olika partikelkoncentrationer.
[cf. Ilhan et al., 2016]

”Ultraljudsbehandling är den process som används mest i litteraturen för att öka nanofluiders stabilitet.” [Ilhan et al., 2016] Även inom industriell produktion är ultraljudsbehandling numera den mest effektiva, tillförlitliga och ekonomiska tekniken för att erhålla långtidsstabila nanofluider med enastående prestanda.

Industriella ultraljudsapparater för produktion av kylvätskor

Vetenskapligt beprövade, industriellt etablerade – Hielscher ultraljudsapparater för produktion av nanofluider
Ultraljudsdispergerare med hög skjuvning är tillförlitliga maskiner för kontinuerlig produktion av högpresterande kylvätskor och värmeöverföringsvätskor. Ultraljudsdriven blandning är känd för sin effektivitet och tillförlitlighet – även under krävande blandningsförhållanden.
Utrustning från Hielscher Ultrasonics gör det möjligt att framställa giftfria, ofarliga nanofluider, vissa till och med av livsmedelskvalitet. Samtidigt är alla våra ultraljudsapparater mycket effektiva, tillförlitliga, säkra att använda och mycket robusta. Även våra bänkmodeller och medelstora ultraljudsapparater är byggda för drift dygnet runt, alla dagar i veckan, och kan producera anmärkningsvärda volymer.
Läs mer om ultraljudsbaserad produktion av nanofluider eller kontakta oss redan nu för att få ingående rådgivning och en kostnadsfri offert på en ultraljudsdispergerare!

Tabellen nedan ger en uppfattning om våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet:

I den här videon visar vi ett ultraljudssystem på 2 kilowatt för kontinuerlig drift i ett genomspolbart skåp. Hielscher levererar ultraljudsutrustning till nästan alla branscher, såsom kemi-, läkemedels- och kosmetikaindustrin, samt för petrokemiska processer och lösningsmedelsbaserade extraktionsprocesser. Detta genomspolbara skåp i rostfritt stål är konstruerat för drift i explosionsfarliga områden. Kunden kan därför genomspola det tätade skåpet med kvävgas eller friskluft för att förhindra att brandfarliga gaser eller ångor tränger in i skåpet.