Isıl İletken Nanoakışkanlara Dayalı Soğutucu Akışkanlar
Ultrasonik olarak sentezlenen nanoakışkanlar, verimli soğutucu akışkanlar ve ısı eşanjörü sıvılarıdır. Isıl iletken nanomalzemeler, ısı transferi ve ısı dağıtma kapasitesini önemli ölçüde artırır. Sonikasyon, ısıl iletken nanoparçacıkların sentezinde ve işlevselleştirilmesinde olduğu kadar soğutma uygulamaları için kararlı, yüksek performanslı nanoakışkanların üretiminde de yerleşik bir yöntemdir.
Termohidrolik Performans Üzerindeki Nanoakışkan Etkileri
Bir malzemenin ısıl iletkenliği, ısıyı iletme kabiliyetinin bir ölçüsüdür. Soğutucu akışkanlar ve ısı transfer akışkanları (termal akışkan veya termal yağ olarak da adlandırılır) için yüksek ısıl iletkenlik istenir. Çok sayıda nanomalzeme, üstün ısıl iletkenlik özellikleri sunar. Nanomalzemelerin üstün ısıl iletkenliğinden yararlanmak için nanoakışkan olarak adlandırılan akışkanlar, soğutma sıvıları olarak kullanılır. Nanoakışkan, nanometre boyutundaki parçacıkların su, glikol veya yağ gibi bir baz akışkanda süspanse edildiği ve burada kolloidal bir çözelti oluşturduğu bir akışkandır. Nanoakışkanlar, nanoparçacık veya daha büyük parçacık içermeyen sıvılara kıyasla ısıl iletkenlikte önemli artışlar sağlayabilir. Dağıtılmış nanoparçacıkların malzemesi, boyutu, viskozitesi, yüzey yükü ve akışkan kararlılığı, nanoakışkanların ısıl performansını önemli ölçüde etkiler. Nanoakışkanlar, geleneksel baz akışkanlara kıyasla üstün ısı transfer performansı gösterdiklerinden, ısı transfer uygulamalarında hızla önem kazanmaktadır.
Ultrasonik dispersiyon, yüksek performanslı ısı transfer kapasitelerine sahip nanoakışkanlar üretmek için son derece verimli, güvenilir ve endüstride yerleşik bir tekniktir.
- önemli ölçüde daha yüksek enerji ve kütle transfer hızları için yüksek yüzey : hacim oranı
- çok iyi kolloidal kararlılık için düşük kütle
- erozyonu en aza indiren düşük atalet
Nano boyutla ilişkili bu özellikler, nanoakışkanlara olağanüstü ısıl iletkenliklerini kazandırır. Ultrasonik dispersiyon, işlevselleştirilmiş nanoparçacıklar ve nanoakışkanlar üretmek için en verimli tekniktir.
Ultrasonik Olarak Üretilen Üstün Isıl İletkenliğe Sahip Nanoakışkanlar
CNT’ler, silika, grafen, alüminyum, gümüş, bor nitrür ve daha birçok malzeme gibi çok sayıda nanomalzemenin, ısı transfer akışkanlarının ısıl iletkenliğini artırdığı halihazırda kanıtlanmıştır. Aşağıda, ultrasonik işlemle hazırlanan ısıl iletken nanoakışkanlara ilişkin örnek araştırma sonuçlarını bulabilirsiniz.
Ultrason ile Alüminyum Bazlı Nanoakışkan Üretimi
Buonomo ve ark. (2015), ultrasonik işlemle hazırlanan Al2O3 nanoakışkanlarının iyileştirilmiş ısıl iletkenliğini göstermiştir.
Araştırmacılar, Al2O3 nanoparçacıklarını su içinde homojen biçimde dağıtmak için Hielscher UP400S prob tipi sonikatörünü kullanmıştır. Ultrasonik olarak deaglomerasyona uğratılan ve dağıtılan alüminyum parçacıkları, parçacık konsantrasyonundan bağımsız olarak tüm nanoakışkanlarda yaklaşık 120 nm parçacık boyutu vermiştir. Nanoakışkanların ısıl iletkenliği, saf suyla karşılaştırıldığında daha yüksek sıcaklıklarda artmıştır. 25°C oda sıcaklığında %0,5 Al2O3 parçacık konsantrasyonuyla ısıl iletkenlikteki artış yalnızca yaklaşık %0,57 iken, 65°C sıcaklıkta bu değer yaklaşık %8’e yükselir. %4 hacim konsantrasyonunda, sıcaklığın 25°C sıcaklıktan 65°C sıcaklığa yükselmesiyle iyileşme %7,6’dan %14,4’e çıkar.
[bkz. Buonomo et al., 2015]
UP400S sonikatörüyle ultrasonik işlem sonrasında çeşitli bor nitrür konsantrasyonlarına sahip su bazlı bor nitrür nanoakışkanlarının parçacık boyutu dağılımı: (a) %0,1 hBN, (b) %0,5 hBN, (c) %2 hBN
(Çalışma ve grafikler: © Ilhan et al., 2016)
Sonikasyon Kullanılarak Bor Nitrür Bazlı Nanoakışkan Üretimi
Ilhan ve ark. (2016), hekzagonal bor nitrür (hBN) bazlı nanoakışkanların ısıl iletkenliğini araştırmıştır. Bu amaçla, ortalama çapı 70 nm olan hBN nanoparçacıkları içeren, iyi dağılmış ve kararlı bir dizi nanoakışkan, ultrasonik işlem ile sodyum dodesil sülfat (SDS) ve polivinil pirolidon (PVP) gibi yüzey aktif maddeleri içeren iki aşamalı bir yöntemle üretilir. Ultrasonik olarak dağıtılan hBN–su nanoakışkanı, çok seyreltik parçacık konsantrasyonlarında bile ısıl iletkenlikte önemli bir artış gösterir. UP400S prob tipi sonikatörüyle sonikasyon, agregatların ortalama parçacık boyutunu 40–60 nm aralığına kadar düşürmüştür. Araştırmacılar, işlem görmemiş kuru halde gözlenen büyük ve yoğun bor nitrür agregatlarının ultrasonik işlem ve yüzey aktif madde ilavesiyle parçalandığı sonucuna varmıştır. Bu durum, ultrasonik dispersiyonu çeşitli parçacık konsantrasyonlarına sahip su bazlı nanoakışkanların hazırlanması için etkili bir yöntem haline getirir.
[bkz. Ilhan et al., 2016]
Parçacık hacim konsantrasyonu %0,5 olan, ultrasonik olarak dağıtılmış etilen glikol (EG) bazlı bir hBN nanoakışkanının morfolojisini gösteren STEM görüntüsü.
(Çalışma ve grafikler: © Ilhan et al., 2016)
“Ultrasonik işlem, nanoakışkanların kararlılığını artırmak için literatürde en yaygın kullanılan işlemdir.” [Ilhan et al., 2016] Endüstriyel üretimde de sonikasyon, günümüzde olağanüstü performansa sahip, uzun süre kararlı kalan nanoakışkanlar elde etmek için en etkili, güvenilir ve ekonomik tekniktir.
Soğutucu Akışkan Üretimi için Endüstriyel Sonikatörler
Bilimsel Olarak Kanıtlanmış, Endüstride Yerleşik – Nanoakışkan Üretimi için Hielscher Sonikatörleri
Ultrasonik yüksek kesmeli disperserler, yüksek performanslı soğutucu akışkanların ve ısı transfer akışkanlarının sürekli üretimi için güvenilir makinelerdir. Ultrasonik olarak gerçekleştirilen karıştırma, zorlu karıştırma koşullarında bile verimliliği ve güvenilirliğiyle bilinir.
Hielscher Ultrasonics ekipmanları, toksik olmayan, tehlikesiz ve bazıları gıda sınıfında bile olan nanoakışkanların hazırlanmasına olanak tanır. Aynı zamanda tüm sonikatörlerimiz son derece verimli, güvenilir, kullanımı güvenli ve çok sağlamdır. 24/7 çalışma için tasarlanan tezgâh üstü ve orta boy sonikatörlerimiz bile dikkat çekici hacimlerde üretim yapabilir.
Nanoakışkanların ultrasonik üretimi hakkında daha fazla bilgi edinin veya kapsamlı danışmanlık ve bir ultrasonik disperser için ücretsiz teklif almak üzere hemen bizimle iletişime geçin!
Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında fikir verir:
| Parti Hacmi | Debi | Önerilen Cihazlar |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| 15–150L | 3–15L/min | UIP6000hdT |
| uygulanamaz | 10–100L/min | UIP16000 |
| uygulanamaz | daha yüksek | cihaz kümesi: UIP16000 |
Bizimle İletişime Geçin! / Bize Sorun!
Hielscher Ultrasonics, laboratuvar, pilot ve endüstriyel ölçekte karıştırma uygulamaları, dispersiyon, emülsifikasyon ve ekstraksiyon için yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörler üretir.
Literatür / Kaynaklar
- 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.
Bilinmesi Gereken Bilgiler
Nanoakışkanlar Soğutma ve Isı Transferi Uygulamaları için Neden İyidir?
Yeni bir soğutucu akışkan sınıfı olan nanoakışkanlar, nano boyutlu parçacıklar için taşıyıcı sıvı görevi gören bir baz akışkandan (ör. su) oluşur. Baz akışkan içinde dağıtılan, amaca özel tasarlanmış nanoparçacıklar (ör. nano boyutlu CuO, alümina titanyum dioksit, karbon nanotüpler, silika veya bakır gibi metaller, gümüş nanoçubuklar), elde edilen nanoakışkanın ısı transfer kapasitesini önemli ölçüde artırabilir. Bu durum, nanoakışkanları olağanüstü yüksek performanslı soğutma sıvıları haline getirir.
Isıl iletken nanoparçacıklar içeren, özel olarak üretilmiş nanoakışkanların kullanılması, ısı transferinde ve ısı dağıtımında önemli iyileştirmelere olanak tanır; örneğin 55±12 nm çapında ve 12,8 µm ortalama uzunluğundaki gümüş nanoçubuklar, 0,5 vol.% oranında suyun ısıl iletkenliğini %68 artırmış ve 0,5 vol.% oranındaki gümüş nanoçubuklar, etilen glikol bazlı soğutucu akışkanın ısıl iletkenliğini %98 artırmıştır. %0,1 oranındaki alümina nanoparçacıkları, suyun kritik ısı akısını %70’e varan oranda artırabilir; parçacıklar, soğutulan nesne üzerinde yeni kabarcıkların oluşumunu teşvik eden pürüzlü, gözenekli bir yüzey oluşturur ve hidrofilik yapıları daha sonra bu kabarcıkların uzaklaştırılmasına yardımcı olarak buhar tabakasının oluşumunu engeller. Konsantrasyonu %5’ten fazla olan nanoakışkan, Newtonyen olmayan akışkanlar gibi davranır. (bkz. (Oldenburg et al., 2007)
Isıl kontrol sistemlerinde kullanılan soğutucu akışkanlara metal nanoparçacıkların eklenmesi, baz akışkanın ısıl iletkenliğini büyük ölçüde artırabilir. Bu tür metal nanoparçacık–akışkan kompozit malzemeler, nanoakışkan olarak adlandırılır ve bunların soğutucu akışkan olarak kullanılması, uzay araçlarının ısıl kontrol sistemlerinin ağırlığını ve güç gereksinimlerini azaltma potansiyeline sahiptir. Nanoakışkanların ısıl iletkenliği, bileşen nanoparçacıkların konsantrasyonuna, boyutuna, şekline, yüzey kimyasına ve agregasyon durumuna bağlıdır. Nanoparçacık yükleme konsantrasyonunun ve nanoparçacıkların en-boy oranının, su ve etilen glikol bazlı soğutucu akışkanların ısıl iletkenliği ve viskozitesi üzerindeki etkileri araştırılmıştır. 55 ± 12 nm çapında ve 12,8 ± 8,5 μm ortalama uzunluğundaki gümüş nanoçubuklar, hacimce %0,5 konsantrasyonda suyun ısıl iletkenliğini %68 artırmıştır. Etilen glikol bazlı bir soğutucu akışkanın ısıl iletkenliği, hacimce %0,5 gümüş nanoçubuk yükleme konsantrasyonuyla %98 artırılmıştır. Aynı yükleme yoğunluğunda, daha uzun nanoçubuklar ısıl iletkenlik üzerinde daha kısa nanoçubuklardan daha büyük bir etkiye sahip olmuştur. Ancak daha uzun nanoçubuklar, baz akışkanın viskozitesini de daha kısa nanoçubuklara göre daha fazla artırmıştır.
(Oldenburg et al., 2007)
Hielscher Ultrasonics, yüksek performanslı ultrasonik homojenizatörleri laboratuvar ölçeğinden endüstriyel boyuta kadar üretir.