Giriş Giriş Giriş

Heat exchangers endüstriyel termal yönetimde kritik bileşenlerdir, enerji transferinin önemli bir kısmı için enerji transferi, kimyasal işleme, HVAC ve elektronik soğutma. bakır, alüminyum ve paslanmaz çelik, bu uygulamaları on yıllar boyunca hizmet etti, ancak termal iletkenlik limitleri ve susceptability to Zhong or yorgunluk için aramayı gelişmiş alternatifler için yapılandırdı. Graphene - bir hexagonal lattice ile karbonun tek bir atom tabakası - bu tür bir dönüştürücü-belirli iletkenlik yöntemi olarak ortaya çıktı.

Graphene-Enhanced Materials

Grafikte ısı değiştirici bileşenleri, geleneksel malzemeler üzerinde birkaç ölçülebilir gelişme sağlar.

Üstün Termal Davranış

Graphene'nin termal iletkenliği, daha kompakt değişim tasarımları azaltmak için 10 kat daha fazla bakır ( ⁇ 400 W/m·K) ve gümüş ( ⁇ 430 W/m·K) Bu, yüzeylerin hızla yayılmasına izin verir, ısı direncini azaltır ve daha kompakt değişim tasarımları sağlar. Örneğin, sadece 1-2% μm -% 50- kat daha hafif ısı geçişi için ısı geçişi sağlar.

Geliştirilmiş Mekanik Güç

Graphene'nin çekme gücü ( ⁇ 130 GPa) ve Young'ın modeuluser ( ⁇ 1 TPa) matrix malzemeleri güçlendiriyor. Metal-matrix kompozitlerinde, grafikleren saf alüminyuma kıyasla hareket eder ve bu dayanıklılık süresini azaltır.

Korozyon Direnişi

Graphene, metal ısı değiştirici yüzeylerde incelenen veya silis ortamlardaki %90'a kadar korozyon oranlarının azaltılmasında etkili bir engel haline gelir.Ayrıca, grafikene oksit kaplamaları belirli metallere karşı etkili bir engel olabilir, kimyasal işleme veya deniz ısı değiştiricilerinde koruma sağlar.

Hafif İnşaat

Güç ve termal performansı geliştirerek, grafikte duvarlar ve hafif temel malzemeler kullanımı sağlar. Uzay ve otomotiv ısı değiştiricileri, her gram yakıt tüketimini azaltır. Graphene-reinforced polimerler düşük sıcaklık döngülerinde daha ağır metalleri değiştirebilir, grafikte-metal kompozitler ısıtımı kapasitelerini ve soğutma kapasitelerini feda etmeden izin verir.

Geliştirilmiş Termal Davranışların Mekanizmaları

Graphene'nin olağanüstü termal özellikleri, lattice vibrasyonlarından (parçalar) kaynaklanıyor, güçlü sp2 tahviller çok yüksek fonlu grup ve konumlar ve ücretsiz yollar ile, bir matrixe entegre edildiğinde, grafiksel yol boyunca yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunan bir akışlar ve ev sahibi malzeme arasındaki arayüz de bir rol oynar: grafik yükleri ve optik yükleri işlevselleştirme (örneğin, amine veya araba kutusuyla) daha düşük taşıma gruplarına ihtiyaç duyar.

Grafene-Enhanced Malzemeler için Üretim Yöntemleri

Tek grafik kompozitlerin Scalable üretimi ticari kabul için önemlidir. Çeşitli yaklaşımlar geliştirilmektedir:

  • [FONT:0)Liquid-faş exfoliasyon ve karıştırma:[Dönetici:0) Graphene nanotüpler, sıvılar veya su ile yüzeysel tozlarla karıştırılır, sonra metal veya polimer tozları top değirmeniyle karıştırılır, ikiz-screw ekstrüzyon veya ultrasonik dağıtım elde edilir.
  • [FONT:0)Chemical buhar depozisyonu (CVD): [DFLT:1), Yüksek kaliteli, birkaç katmanlı film metal katalizörleri üzerinde büyüdü (örneğin, bakır folyo) ve sonra ısı değiştirici yüzeyler için mükemmel bir kapsama alanı sağlar.
  • [FONT:0)Electrokimyasal depozisyon: [Döntgen:[Dönetici:0)) Graphene oksit, metal substratlara elektrokimyasal olarak azaltılır, kontrollü kalın kaplamalar ile kontrol edilen kalın kaplamalar oluşturabilir. Bu teknik karmaşık geometrilere uygulanabilir.
  • [FONT:0) In-situ büyümesi: [DÜDÜDÜDÜŞÜNCÜDÜŞÜNCÜŞÜNCE:0) Graphene veya karbon nanotüpler doğrudan metal parçacıkları veya köpükler üzerinde CVD kullanarak büyütüldü, sonra da büyük bir kompozitlere konsolide edildi.
  • [FONT:0)Eksitif üretim:[D][FONT=0)[[FONT=0)[[FONT=TRNT=0)) Graphene-enhanced filamentler veya tozlar, kontrol edilen porosity ve grafikle özel ısı değiştirici geometrileri kumaşlamak için 3D baskıda kullanılır.

Her yöntem maliyeti, kalite ve ölçeklenebilirlik için. büyük hacimli uygulamalar için otomotiv radyatörler, alüminyum veya bakır tozlarla grafik karıştırılmış grafik veya sıcak baskı ile takip edilen değiştirilebilir.

Sonraki -Generation Heat Exchangers

Graphene-enhanced malzemeler, ısı transfer performansının önemli olduğu birçok sektörde araştırılıyor.

Havacılık ve Havacılık

Kilo azaltma ve yüksek sıcaklık istikrarı kritiktir. Graphene-aluminum kompozitleri petrol soğutucuları ve çevresel kontrol sistemi ısı değiştiricileri olarak kullanılır. Örneğin, önde gelen bir Avrupa havacılık enstitüsündeki araştırmacılar, ısı transfer katorunu %35 artış elde eden bir grafik geliştirdiler, çünkü tümcopper bazline kıyasla% 18 oranında azalır.

Otomotiv ve Elektrikli Araçlar

Battery termal yönetim, güç elektronik soğutma ve kabin HVAC, grafikte sıvı geliştirmelerden yararlanır. iç yanma motorlarında bir grafikte alüminyum radyatör% 20 daha iyi ısı dağılımı ve 5 yıllık korozyon direncini tuzlu-spray testlerinde gösterdi.

Elektronik Soğutma

Yüksek güç LEDleri, işlemciler ve sunucu çiftlikleri, yüksek enerji kesintilerine izin veren kompakt, verimli ısı batağı gerektirir. Graphene-copper kompozit fin yığınları, yüksek enerji kesintilerine izin verir. Startups ticarileştiri grafiken-enhanced termal arayüz malzemeleri (TIMs) bu, kavim-enerjik ısı direncini% 15-25 azaltmaktadır.

Yenilenebilir Enerji Sistemleri

Mekanik güneş santralleri ve jeotermal sistemler, yüksek sıcaklıklarda koreatif sıvılarla çalışan ısı değiştiricileri kullanır. Graphene-ckel kompozitler oksidasyona ve korozyona karşı direnir, grafikte paslanmaz çelik tüpler korurken, molten tuz uygulamaları. Sıcaklık pompalarında, grafikte-reintif polimer plaka değiştiriciler daha düşük kilo sunar ve titanyum meslektaşlarından daha düşük maliyetlidir.

Endüstriyel Süreç Isı

Kimyasal reaktörler, ısı kurtarma birimleri ve distillasyon sütunları grafiken-enhanced kabuk-ve-tüp değişimleyicileri daha yüksek ısı verimliliği elde etmek için kullanabilir.Bir petrokimya bitkisinde 12% azalma gösterdi grafikte, daha uzun temizlik aralıkları ve azaltım için.

Meydanlar ve Sınırlar

Sözcülüğe rağmen, grafiken-enhanced ısı değiştiricileri daha önce birkaç engel aşılmalıdır.

Yüksek kaliteli Graphene Üretimi

Büyük ölçekli defektif üretimi, birkaç katmanlı grafikler pahalı kalır. sıvı-faylı exfoliasyon, genellikle küçük (1-5 μm daha sonra büyüklüğü) ve oksijen fonksiyonel grupları içerir. CVD daha yüksek kaliteli sağlar ancak sürekli CVD veya elektrokimyasal üretimde bir atılım, büyük uygulamalar için 10 / kg altında maliyetlerin altından daha düşük maliyetlidir.

Üniforma Dispersion

Grafikten özür dileme, percolasyon ağının azalması ve stres konsantrasyon puanları yaratır. Metal-matrix kompozitlerinde, zayıf dağıtım aslında yüksek performanslı ve mekanik özelliklerden dolayı gelişmiş karıştırma teknikleri, üç kayıt değirmeni ve ultrasonik işleme yardımı gibi, ancak maliyet ve karmaşıklık ekler.

Interfacial Termal Direniş

Grafikteki ve ev sahibi malzeme arasındaki arayüz, seslendirici aparattan dolayı ısı akışını sınırlandırabilir. Metal atomlarla fonksiyonelleştirin (örneğin, titanyum veya kromyum) bağını geliştirir, ancak ek işleme adımlarını sunar. Teorik modeller, yönün oranını maksimize etmeyi ve ısıtmayı azaltımının direncini azaltabileceğini önerir, ancak bu tür bir hizalamalar bileşiklerinde elde etmek zordur.

Uzun Süreli Stability ve Reliability

Grafik kaplamalar termal bisiklet veya yüksek hear akışı altında yeniden incelenebilir. Metal-matrix kompozitlerinde, grafikene yüksek sıcaklıklarda matrixle tepki verebilir (örneğin alüminyum tırma), bu dagradlı yaşlanma testleri hala sınırlı; uzun vadeli (5-10 yıl) verileri gerçekçi çalışma koşulları altında güvenilir bir şekilde oluşturmak için gereklidir.

Maliyet-i

Grafikte kendini küçük miktarlarda ucuz olsa da, onu bitmiş ısı değiştirici bileşenlerine entegre etmek için işlem adımları maliyete ihtiyaç duyar. Birçok uygulama için performans iyileştirme standart malzemelerden 20-50% primi haklı çıkarmak için yeterince büyük olmalıdır. yüksek değerli sektörlerde havacılık veya tıbbi cihazlar gibi, premium kabul edilebilir, ancak malum hava kirliliği sistemleri olarak kalır.

Vaka Çalışmaları ve Araştırma Yüksek Hafifleri

Çeşitli akademik ve endüstriyel gruplar grafiken-enhanced ısı değiştiricilerinin viability of grafiklerene-enhanced Heat exchangers'i göstermiştir.

  • [03.2012] Manchester Üniversitesi - Graphene-Copper Composite: Bir takım top değirmeni kullanarak bakır bir matrix üretti ve plazma sintering ile birlikte yüksek ısı transfer katladı.
  • [FONT=0)MIT – Graphene Oksit Kaplamalar: Araştırmacılar, elektroformatik dekonsolasyon yoluyla alüminyum ısı değiştiricileri üzerinde indirgenmiş bir grafikte alüminyum kaplama uygularlar.
  • [FONT:0)XG Sciences (şimdi Talga Group'un bir parçası): [Dönetici: 1) Bu şirket, büyük bir HVAC üreticisi ile pilot proje için grafik nanotüplülük tedarik etti. Grafikleri için temel polimer plakaları ısı pompası için% 40 kilo azaltımı ve% 15 daha iyi ısı transferleri çelik plakalara kıyasla, daha düşük nakliye ve yükleme maliyetleri ile dengelemek için daha yüksek bir maliyetle elde etti.

Bu örnekler, teknolojinin niş uygulamalar için hazır olduğunu ve devam eden mühendislik rafinerisi ihtiyacını işaret ediyor.

Future Yol Tarifi

Araştırma, mevcut sınırlamaların üstesinden gelmek ve yeni yeteneklerin kilidini açmak için birden çok cephede hızlanıyor.

3D Graphene Architectures

Grafikten yapılan köpükler ve hücresel yapılar, bir metal veya polimer ile filtrelendiğinde, bu monolithler, bir miktar sıvı metaller ile karşılaştırılabilir ısı iletkenliği sunabilir. Roll-toroll üretim hacminin bir sonraki nesil kompakt ısı değiştiricileri taşınabilir elektronik ve uzay aracı ile araştırılır.

Hibrit Nanomalzemeler

Diğer karbon allotropes (karbon nanotüpler, elmas nanoparçacıklar) veya seramikler (boron nitride, silikon speratif olarak enerjik özellikleri geliştirirken, faz-BN hibrit dolguları 2 W/m·K'nın üzerinde termal iletkenlik gösterdi, elektriksel olarak ısı değiştiricileri için uygundur.

Makine Öğrenme ve Çok ölçekli Modelleme

AI odaklı tasarım araçları, belirli bir ısı değişimi geometrisi ve işletim durumu için en uygun grafiksel yönelim, konsantrasyon ve kompozit mimariyi tahmin edebilir.Bu, deneysel deneme ve terörle ilgili malzemeleri geliştirmeyi azaltır.

Fonksiyonel Gradients

Grafiksel konsantrasyon ısı değiştiricisi (örneğin, ısı kaynaklarına yakın yüksek yükleme) ısı geçişi sırasında ısı taşımayı en üst düzeye çıkarabilir.Temli üretim özellikle bu tür işlevsel derece sınıf malzemeleri oluşturmak için uygundur.

Low-Cost, High-Kalite Graphene

Elektrokimyasal olarak molten tuz veya iyonik sıvılar kullanarak grafik fiyatların ayrıştırılması, en ısı değiştirici uygulamalar için uygun fiyatlı gram katmanlı üretmektedir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Grafikte, yüksek performanslı otomotiv ve elektronik soğutma, küresel ekonomide enerji verimliliğini artırmak için cazip bir yol sunuyor.Ürünler, üretim maliyeti ve maliyetlerinde artışlar ve uzun vadeli güvenilirlik ile.Uzmanlık üretimde erken kabul edilen gelişmelerle, havacılıkta yüksek performanslı otomotiv ve elektronik soğutmalar zaten pilot ölçekli ürünlerden faydalanıyor, küresel ekonomide enerji verimliliği artırmak için merkezi bir rol üstleniyor.

Daha fazla okuma için, grafikte termal yönetim üzerinde kapsamlı bir inceleme ([Dönetici:0)Doğa İncelemeleri ) ve grafikte yapılan çalışmalar [Dönetici:2)Carbon, 2020[Dönetici:0) ve grafiken-polimer ısı değiştiricileri ([Dönetici:0)