Ultrasəs Enerji Saxlama üçün Faza Dəyişdirmə Materiallarını Təkmilləşdirir
, Kathrin Hielscher, Hielscher News-da dərc edilmişdir
Səmərəli enerji idarəetməsinə qlobal tələbat artdıqca, faza dəyişdirmə materialları (PCM) istilik enerjisinin saxlanması üçün güclü bir həll yolu kimi diqqəti cəlb edir. Bu materiallar ərimə və bərkimə zamanı çox miqdarda istilik uda və buraxa bilir və bu da onları iqlim nəzarətindən tutmuş batareya soyutma və bərpa olunan enerji sistemlərinə qədər müxtəlif tətbiqlər üçün dəyərli edir.
Lakin, ümidverici xüsusiyyətlərinə baxmayaraq, bir çox PCM-lər geniş istifadəsini məhdudlaşdıran praktik çətinliklərlə üzləşirlər. Tədqiqatçılar və mühəndislər getdikcə yüksək güclü ultrasəs emalına müraciət edirlər. – həmçinin sonication kimi tanınır – bu maneələri dəf etmək və faza dəyişmə materiallarının bütün potensialını açmaq.
Ultrasəs emalı nano gücləndirilmiş və nanokapsulalı PCM-lərin yaradılmasına imkan verir, dispersiya stabilliyini artırır və istilik performansını optimallaşdırmağa kömək edir. Nəticədə, ultrasəs texnologiyası qabaqcıl PCM sistemlərinin istehsalı üçün ən təsirli texnologiyalardan biri kimi ortaya çıxır.
PCM-lərin emalı üçün ultrasəs homogenizatoru UIP2000hdT
Enerji Saxlama üçün Faza Dəyişdirmə Materialları Niyə Vacibdir
Faza dəyişmə materialları enerjini gizli istilik şəklində saxlayır, bu istilik ərimə zamanı udulur və material bərkidikdə sərbəst buraxılır. İstiliyi yalnız temperatur dəyişikliyi vasitəsilə saxlayan ənənəvi materiallardan fərqli olaraq, PCM-lər demək olar ki, sabit temperaturda çox miqdarda enerji saxlaya və buraxa bilir.
Bu xüsusiyyət onları istilik idarəetmə sistemləri üçün olduqca cəlbedici edir. Binalarda PCM-lər gün ərzində artıq istiliyi udmaqla və temperatur düşəndə onu buraxmaqla qapalı məkan temperaturunu tənzimləyə bilər. Bərpa olunan enerji sistemlərində onlar günəş kollektorlarından istilik enerjisinin saxlanmasına kömək edir. Onlar həmçinin elektronika soyutma, batareya istilik idarəetməsi və temperatur nəzarətli nəqliyyatda getdikcə daha çox istifadə olunur.
Duz hidratları və üzvi materiallar ən çox öyrənilən PCM-lər arasındadır. Məsələn, Qlauber duzu (natrium sulfat dekahidrat) yüksək ərimə entalpiyası və uyğun faza keçid temperaturu səbəbindən xeyli maraq doğurmuşdur. Bu xüsusiyyətlər ona əhəmiyyətli miqdarda istilik enerjisini səmərəli şəkildə saxlamağa imkan verir.
Bununla belə, bir çox PCM sistemləri geniş tətbiq olunmazdan əvvəl həll edilməli olan sabitlik problemlərini nümayiş etdirir.
Ultrasonik disperser UIP6000hdT faza dəyişdirici materialların və istilik ötürücü mayelərin sənaye istehsalı üçün.
Ənənəvi PCM-lərin Davamlı Çətinlikləri
Faza dəyişdirici materiallar çox miqdarda enerji saxlaya bilsə də, onların praktiki performansı çox vaxt materialın təkrarlanan isitmə və soyutma dövrləri zamanı nə dərəcədə sabit qalmasından asılıdır. Bir çox PCM-lər faza ayrılması, super soyutma və zəif dispersiya stabilliyindən əziyyət çəkirlər ki, bunların hamısı zamanla istilik performansını pisləşdirə bilər.
Qlauber duzu kimi duz-hidrat sistemlərində bu problemlər xüsusilə özünü göstərir. Ərimə zamanı müxtəlif komponentlər ayrıldıqda faza ayrılması baş verə bilər, həddindən artıq soyutma isə materialın gözlənilən temperaturda kristallaşmasının qarşısını ala bilər. Bu, istilik yayılmasını gecikdirir və sistemin səmərəliliyini azaldır.
Digər bir ümumi problem, PCM formulalarına əlavələr və ya nanopartiküllər daxil edildikdə aqreqatların əmələ gəlməsidir. Ənənəvi qarışdırma üsulları çox vaxt hissəcikləri bərabər şəkildə dağıtmır və bu da qeyri-sabit dispersiyalara və uyğunsuz istilik davranışına səbəb olur.
Bu məhdudiyyətləri aradan qaldırmaq üçün tədqiqatçılar getdikcə daha çox mikro və nanoskalada materialları dağıtmaq üçün yüksək effektiv bir üsul təklif edən ultrasəs emalına etibar edirlər.
Sonication PCM Formulunu Necə Təkmilləşdirir
Ultrasonik tebraniş, yüksək intensivlikli ultrasəs dalğalarının mayedən yayıldığı zaman baş verən akustik kavitasiya fenomeninə əsaslanır. Bu dalğalar sürətlə çökən və həddindən artıq temperatur, təzyiq və kəsmə qüvvələrinin lokal zonalarını yaradan mikroskopik qabarcıqlar əmələ gətirir.
Bu proses ənənəvi mexaniki qarışdırma ilə əldə edilə bilməyən intensiv qarışdırma şəraiti yaradır. Nəticədə, ultrasəs tənzimləyicisi hissəcik aqlomeratlarını parçalaya, hissəcik ölçüsünü azalda və aşqarları PCM matrisi boyunca bərabər paylaya bilər.
PCM dispersiyaları üzərində aparılan eksperimental tədqiqatlar göstərir ki, ultrasəs qarışdırma maqnit qarışdırma ilə müqayisədə xeyli kiçik aqreqatlar və daha homogen qarışıqlar əmələ gətirir və nəticədə sabitlik və təkrarlanma qabiliyyəti artır.
Bu təkmilləşdirmələr istilik performansına birbaşa təsir göstərir, çünki homojen bir dispersiya material boyunca faza dəyişikliyinin ardıcıl olaraq baş verməsini təmin edir.
Niyə Sonication PCM Sabitliyini Yaxşılaşdırır
Tədqiqatlar göstərir ki, qarışdırma metodologiyası PCM performansında mühüm rol oynayır.
Məsələn, duz-hidrat PCM dispersiyaları ilə aparılan təcrübələr ultrasəs qarışdırmanın ənənəvi qarışdırma metodları ilə müqayisədə homojenliyi və sabitliyi yaxşılaşdırdığını göstərdi.
Ultrasonik emal PCM sistemlərini bir neçə mexanizm vasitəsilə təkmilləşdirir:
- Daha kiçik hissəcik ölçüsü
Kavitasiya qüvvələri böyük kristalları və ya aqreqatları incə hissəciklərə parçalayır. - Təkmilləşdirilmiş dispersiya vahidliyi
Ultrasəs, nüvələşdirici maddələr və qatılaşdırıcılar kimi əlavələrin bərabər paylanmasını təmin edir. - Çöküntülərin azalması
Daha incə hissəciklər daha uzun müddət asılı qalır. - Daha yaxşı istilik performansı
Homojen sistemlər daha ardıcıl faza keçidləri və daha yüksək effektiv istilik saxlama xüsusiyyətlərinə malikdir.
Dəzgah üstü sonikator UIP1000hdT PCM-ləri dağıtmaq üçün
Nano ilə Təkmilləşdirilmiş Faza Dəyişdirmə Materialları: İstilik Keçiriciliyinin Təkmilləşdirilməsi
PCM tədqiqatlarında ən həyəcanverici inkişaflardan biri nano gücləndirilmiş faza dəyişmə materiallarının (NePCM) ortaya çıxmasıdır. Bu sistemlərdə istilik keçiriciliyini artırmaq və istilik ötürülməsini sürətləndirmək üçün nanopartiküllər PCM matrisinə daxil edilir.
Qrafen, karbon nanotubları və metal oksidləri kimi nanomateriallar istilik ötürmə sürətini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdıra bilər. Lakin, nanopartikullar hissəciklər arasında güclü cəlbedici qüvvələr səbəbindən aqlomerasiyaya meyllidirlər. Bu qruplar düzgün şəkildə dağılmasa, istilik keçiriciliyində gözlənilən yaxşılaşmalara nail olmaq mümkün deyil.
Ultrasəs emalı burada mühüm rol oynayır. Sonication tərəfindən yaradılan intensiv kavitasiya qüvvələri nanopartikul klasterlərini parçalayır və onları PCM boyunca bərabər şəkildə paylayır. Nəticədə nano gücləndirilmiş PCM-lər daha sürətli istilik udma və buraxma nümayiş etdirir və bu da onları istilik enerjisi saxlama tətbiqləri üçün daha səmərəli edir.
Nano-Kapsülasyon: Sızmanın Qarşısının Alınması və Davamlılığın Təkmilləşdirilməsi
Ultrasəs emalı ilə mümkün olan digər vacib bir yenilik, faza dəyişdirici materiallarının nano-kapsullaşdırılmasıdır.
Nanokapsulalı PCM-lərdə faza dəyişmə materialı qoruyucu bir qabıqla əhatə olunur - çox vaxt polimerlərdən, silisiumdan və ya hibrid materiallardan hazırlanır. Bu qabıq PCM əriyəndə sızmanın qarşısını alır və materialı kimyəvi parçalanmadan qoruyur.
Sonication, mikro və nanokapsullar üçün əsas rolunu oynayan son dərəcə incə emulsiyaların istehsalını təmin edir. Proses, sonradan PCM nüvəsini əmələ gətirən vahid damcılar əmələ gətirir, qabıq materialları isə onların ətrafında polimerləşir və ya kondensasiya olunur. Nəticədə yaranan kapsulalar dar ölçülü paylanmalar və təkmilləşdirilmiş mexaniki stabillik nümayiş etdirir.
Bu cür kapsulalı PCM-lər getdikcə ağıllı tekstil, örtüklər, elektronika soyutma və istilik idarəetmə sistemləri daxil olmaqla qabaqcıl tətbiqlərdə istifadə olunur.
Parafin mumu PCM kimi: Sonication-un praktik nümunəsi
Parafin mumu kimi üzvi faza dəyişmə materialları kimyəvi stabilliyi, korroziyaya uğramaması və əlverişli ərimə temperaturlarına görə geniş istifadə olunur. Parafin əsaslı PCM-lər tikinti materiallarında, günəş istilik sistemlərində və istilik tənzimləmə texnologiyalarında geniş istifadə olunur.
Bununla belə, parafin mumu nisbətən aşağı istilik keçiriciliyindən də əziyyət çəkir və emulsiyalara və ya kompozit materiallara daxil edildikdə böyük damcılar və ya aqreqatlar əmələ gətirə bilər. Sonication bu çətinliklər üçün güclü bir həll təklif edir.
Parafin mumu yüksək güclü ultrasəs ilə emal edildikdə, kavitasiya qüvvələri əridilmiş mumu son dərəcə incə damcılara parçalayır və sabit emulsiyalar və ya dispersiyalar yaradır. Bu, mumun daşıyıcı maye və ya polimer matrisi daxilində bərabər paylanmasına imkan verir. Nəticədə yaranan PCM formulaları təkmilləşdirilmiş istilik ötürmə xüsusiyyətləri və təkrarlanan faza dəyişmə dövrləri zamanı artan sabitlik nümayiş etdirir.
Ultrasəs emalı həmçinin əridilmiş mum damcılarının polimer qabıqlarının içərisinə yerləşdirildiyi parafin mikrokapsullarının istehsalı üçün geniş istifadə olunur. Bu kapsulalar ərimə zamanı sızmanın qarşısını alır və parafin PCM-lərinin tikinti materiallarına, örtüklərə və ya tekstil məhsullarına inteqrasiya olunmasına imkan verir.
Niyə Hielscher Sonicatorları PCM emalı üçün idealdır
Yüksək güclü ultrasəs avadanlıqları qabaqcıl PCM formulasiyaları üçün tələb olunan dispersiya keyfiyyətinə nail olmaq üçün vacibdir. Hielscher Ultrasonics həm tədqiqat laboratoriyaları, həm də sənaye istehsalı üçün ultrasəs prosessorlarının aparıcı təchizatçısına çevrilib.
Hielscher sistemləri ultrasəs amplitudası, güc girişi və emal müddəti üzərində dəqiq nəzarət təmin edir və tədqiqatçılara müstəsna təkrar istehsal qabiliyyəti ilə PCM formulalarını dəqiq tənzimləməyə imkan verir. Onların ultrasəs prosessorları güclü və ardıcıl kavitasiya sahələri yaradır ki, bu da hissəcik ölçüsünün səmərəli azaldılmasını, deaqlomerasiyanı və homogenləşməni təmin edir.
Hielscher texnologiyasının digər əsas üstünlüyü miqyaslanma qabiliyyətidir. Laboratoriya sistemlərində hazırlanmış proseslər birbaşa sənaye ultrasəs reaktorlarına ötürülə bilər və bu da istehsalçılara əsas proses parametrlərini dəyişdirmədən kiçikmiqyaslı təcrübələrdən kommersiya istehsalına keçməyə imkan verir.
Hielscher ultrasəs prosessorları artıq PCM dispersiyalarının hazırlanması üçün elmi tədqiqatlarda istifadə edilmişdir və homojen qarışıqların istehsalında və hissəcik aqreqatlarının azaldılmasında effektivliyini nümayiş etdirir.
Sonication ilə PCM İnkişafında İrəliləyişlər
Enerji sistemləri inkişaf etdikcə və səmərəli istilik saxlama tələbi artdıqca, inkişaf etmiş faza dəyişmə materialları getdikcə daha vacib rol oynayacaq. Bu materialların performansı təkcə onların kimyəvi tərkibindən deyil, həm də onları hazırlamaq və emal etmək üçün istifadə olunan üsullardan asılıdır.
Ultrasəs emalı PCM sistemlərinin mikrostrukturunu idarə etmək üçün güclü və çox yönlü bir vasitə təmin edir. Vahid dispersiyaları, nanopartikulyar inteqrasiyanı və nanokapsulasiyanı təmin etməklə, ultrasəs emalı ənənəvi olaraq PCM texnologiyalarına mane olan bir çox məhdudiyyəti aradan qaldırmağa kömək edir.
Ultrasonik emal sürətlə növbəti nəsil PCM-lər üçün əsas imkan verən texnologiyaya çevrilir, o cümlədən:
- Nano ilə gücləndirilmiş PCM-lər
- Nano-kapsulalı PCM-lər
- Yüksək keçiriciliyə malik PCM kompozitləri
- Sabit PCM emulsiyaları və dispersiyaları
Hielscher yüksək performanslı, sənaye səviyyəli sonikatorları xətti miqyaslı genişmiqyaslı istehsala imkan verir və bununla da faza dəyişdirici materiallarını perspektivli laboratoriya materiallarından müasir enerji saxlama və istilik idarəetməsi üçün etibarlı həllərə çevirir.
Zond tipli sonikator UP400ST ilə nano-dispersiya
Ümumi Faza Dəyişdirmə Materialları, Onların Xüsusiyyətləri və Sonication-ın Təsirləri
| Faza Dəyişdirmə Materialı | Tipik istifadə / qeydlər | Sonication ilə əldə edilən üstünlüklər |
|---|---|---|
| parafin mumu (məsələn, RT parafinləri, texniki parafinlər) | Üzvi PCM; tikinti materialları, istilik paketləri, elektronika soyutma üçün geniş istifadə olunur. |
Sonication incə, sabit suda mum (və ya polimerdə mum) dispersiyaları/emulsiyaları yaradır, damcı ölçüsünü azaldır, homogenliyi artırır, mikro/nanokapsulasiyanı dəstəkləyir və daha sürətli istilik ötürülməsi üçün daha yaxşı doldurucu paylanmasını təmin edir. |
| yağ turşuları (məsələn, laurik, miristik, palmitik, stearin turşusu) | Üzvi PCM; yaxşı dövriyyə stabilliyi, tikinti və istilik buferləşdirməsində istifadə olunur. |
Ultrasonik emulsiya faza sabitliyini artırır və ayrılmanı azaldır; istilik keçiriciliyi gücləndiricilərinin yayılmasına kömək edir (məsələn, karbon əlavələri) təkmilləşdirilmiş doldurma/boşalma sürətləri üçün daha bərabər şəkildə. |
| Duz hidratları (məsələn, natrium sulfat dekahidrat / Qlauber duzu, CaCl22·6H2O) | Yüksək gizli istilik; TES üçün cəlbedicidir, lakin ayrılma və həddindən artıq soyumağa meyllidir. |
Sonication dispersiya keyfiyyətini artırır və daha homogen qarışıqları dəstəkləyərək ənənəvi qarışdırma ilə müqayisədə aqreqat ölçüsünü azalda bilər. Qlauberin duz dispersiyası tədqiqatında, ultrasəs üsulu aqreqatların reduksiyasında maqnit qarışdırmadan daha təsirli olduğu seçilmişdir. və hazırlıq ardıcıllığı homogenliyə və sabitliyə güclü təsir göstərmişdir. |
| Polietilen glikollar (PEG) (məsələn, PEG 600–6000) | Üzvi PCM; tənzimlənən ərimə diapazonu; kompozitlərdə və kapsulalı sistemlərdə istifadə olunur. |
Sonication polimer matrislərinə qarışdırmağı yaxşılaşdırır, kapsullaşdırma üçün vahid PCM damcılarının əmələ gəlməsini dəstəkləyir, və effektiv istilik keçiriciliyini artırmaq üçün nanopartikul dispersiyasını (nano gücləndirilmiş PCM-lər) artırır. |
| Şəkər spirtləri (məsələn, eritritol, ksilitol, mannitol) | Daha yüksək temperaturlu PCM-lər; sənaye tullantılarının istiliyinin bərpası, yüksək temperaturlu saxlama. |
Ultrasonik emal əlavə olunmuş nukleantların/termal doldurucuların deaqlomerasiyasını artırır, suspenziyaların/şlakların vahidliyini artırır, və formullaşdırılmış sistemlərdə (xüsusən də nüvələşdirici maddələrlə birləşdirildikdə) daha ardıcıl kristallaşma davranışını dəstəkləyə bilər. |
| Bio əsaslı yağlar / efirlər (məsələn, palma yağı törəmələri, yağlı efirlər) | Bərpa olunan üzvi PCM-lər; tikinti və qablaşdırma tətbiqləri. |
Sonication emulsiyanı yaxşılaşdırır və dispersiyaları sabitləşdirir, incə damcı paylanmalarını təmin edir, örtüklərə/polimerlərə daha asan daxil edilməsi və daha çox təkrarlana bilən kompozit PCM istehsalı. |
| Evtektik PCM-lər (üzvi-üzvi, duz hidrat qarışıqları) | Dizayn edilmiş ərimə nöqtələri; dəqiq keçid temperaturu lazım olduqda istifadə olunur. |
Ultrasonik qarışdırma çoxkomponentli qarışıqların homogenləşməsini sürətləndirir, yerli tərkib qradiyentlərini azaldır, stabilizatorların/nukleantların dispersiyasını yaxşılaşdırır və dövr ərzində ardıcıl faza dəyişikliyi davranışını dəstəkləyir. |
| Kapsulalı PCM-lər (mikro-/nanokapsulalı parafinlər, duz hidratları) | Sızmanın qarşısının alınması; tekstil, örtük, divar lövhələri və mayelərə asanlıqla inteqrasiya olunur. |
Sonication, daha vahid kapsul ölçüsünə çevrilən sabit nanoemulsiyalar və dar damcı ölçüsü paylanmalarını təmin edir, təkmilləşdirilmiş kapsullaşdırma səmərəliliyi, azalmış sızma və daha proqnozlaşdırıla bilən istilik reaksiyası. |
| Nano ilə gücləndirilmiş PCM-lər (PCM + qrafen/CNT/metal oksidləri) | Daha yüksək effektiv istilik keçiriciliyi və daha sürətli istilik mübadiləsi üçün nəzərdə tutulmuşdur. |
Kavitasiya ilə idarə olunan deaqlomerasiya nanopartikulları daha bərabər şəkildə paylayır və effektiv istilik ötürmə yollarını artırır, çökmə riskini azaltmaq (düzgün formulasiya ilə) və təkrarlanma qabiliyyətini partiyadan partiyaya artırmaq. |
Ədəbiyyat / İstinadlar
- Daniel López Pedrajas (2022): Development Of Nanoencapsulated Phase Change Material Slurry For Residential Applications. Thesis Universidad de Castilla-La Mancha 2022.
- De Paola, Maria Gabriela, Natale Arcuri, Vincenza Calabrò, Marilena De Simone (2017): Thermal and Stability Investigation of Phase Change Material Dispersions for Thermal Energy Storage by T-History and Optical Methods. Energies 10, no. 3: 354; 2017.
- De Paola, Maria; Calabrò, Vincenza; De Simone, Marilena (2017): Light scattering methods to test inorganic PCMs for application in buildings. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 251; 2017.
- Siahkamari, Leila; Rahimi, Masoud; Azimi, Neda; Banibayat, Maysam (2019): Experimental investigation on using a novel phase change material (PCM) in micro structure photovoltaic cooling system. International Communications in Heat and Mass Transfer 100, 2019. 60-66.
Tez-tez soruşulan suallar
Faza Dəyişdirmə Materialları üçün Tətbiqlər Nələrdir?
Faza dəyişdirmə materialları (FDT) istilik enerjisinin saxlanması və temperaturun tənzimlənməsi üçün geniş istifadə olunur. Faza keçidləri zamanı çox miqdarda gizli istiliyi udmaq və buraxmaq qabiliyyəti onları iqlim nəzarəti, günəş istilik enerjisinin saxlanması, sənaye tullantılarının istiliyinin bərpası, batareyaların və elektronikanın istilik idarə edilməsi, temperatur nəzarətli nəqliyyat, istilik tənzimlənməsi olan tekstil və sabit temperaturun saxlanılmalı olduğu tibbi və ya qida qablaşdırması kimi tikinti sahələrində faydalı edir.
Bina və tikintidə hansı faza dəyişdirmə materiallarından istifadə olunur?
Tikinti tətbiqlərində ən çox yayılmış PCM-lərə parafin mumları, yağ turşuları, duz hidratları (məsələn, natrium sulfat dekahidrat və ya kalsium xlorid hidratları) və polietilen glikollar (PEG) daxildir. Bu materiallar tez-tez gips lövhələrinə, divar panellərinə, izolyasiya materiallarına və beton kompozitlərinə inteqrasiya olunur. Parafinlər kimi üzvi PCM-lər xüsusilə populyardır, çünki onlar kimyəvi cəhətdən sabit və korroziyaya uğramır, duz hidratları isə yüksək gizli istilik saxlama qabiliyyətinə görə qiymətləndirilir.
Ən yüksək enerji saxlama tutumuna hansı faza dəyişdirmə materialları malikdir?
Tez-tez istifadə olunan PCM-lər arasında duz hidratları və müəyyən metal və ya qeyri-üzvi PCM-lər ən yüksək gizli istilik saxlama qabiliyyətinə malikdir. Natrium sulfat dekahidrat (Qlauber duzu) kimi duz hidratları 200-250 kJ/kq-dan çox gizli istilik saxlaya bilər ki, bu da onları istilik enerjisinin saxlanması üçün yüksək səmərəli edir. Eritritol kimi bəzi şəkər spirtləri də yüksək faza dəyişmə temperaturlarında çox yüksək gizli istilik tutumu təklif edir.
Elektronikada Faza Dəyişdirmə Materiallarından istifadə olunurmu?
Bəli, faza dəyişdirmə materialları elektronika istilik idarəetməsində getdikcə daha çox istifadə olunur. PCM-lər pik istilik yüklərini udmaq və həssas komponentlərin həddindən artıq istiləşməsinin qarşısını almaq üçün istilik radiatorlarına, batareya paketlərinə və soyutma modullarına daxil edilir. İşləmə zamanı PCM artıq istiliyi əridir və udur, cihaz temperaturunu sabitləşdirir və prosessorlar, LED-lər və litium-ion batareyaları kimi elektron sistemlərin etibarlılığını və ömrünü artırır.
Ultrasonik olaraq azaldılmış və dağılmış kalsium-hidroksiapatit
Hielscher Ultrasonics yüksək performanslı ultrasəs homogenizatorları istehsal edir laboratoriya üçün sənaye ölçüsü.