Ultrasəs enerji saxlanması üçün faza dəyişən materialların inkişafını sürətləndirir

Enerjinin səmərəli idarə olunmasına qlobal tələbat artdıqca, faza dəyişən materiallar (PCM-lər) istilik enerjisinin saxlanması üçün güclü həll kimi diqqət çəkir. Bu materiallar ərimə və bərkimə zamanı böyük miqdarda istiliyi uda və buraxa bilir; bu da onları binalarda iqlimə nəzarətdən tutmuş batareyaların soyudulmasına və bərpa olunan enerji sistemlərinə qədər müxtəlif tətbiqlər üçün dəyərli edir.
Lakin perspektivli xassələrinə baxmayaraq, bir çox PCM onların geniş istifadəsini məhdudlaşdıran praktiki çətinliklərlə üzləşir. Tədqiqatçılar və mühəndislər bu maneələri aradan qaldırmaq və faza dəyişən materialların bütün potensialını üzə çıxarmaq üçün getdikcə daha çox yüksək güclü ultrasəs emalına – sonikasiya kimi də tanınan üsula – müraciət edirlər.
Ultrasəs emalı nanohissəciklərlə təkmilləşdirilmiş və nanokapsullaşdırılmış PCM-lərin yaradılmasına imkan verir, dispersiyanın sabitliyini artırır və istilik göstəricilərini optimallaşdırmağa kömək edir. Nəticədə, sonikasiya qabaqcıl PCM sistemlərinin istehsalı üçün ən effektiv texnologiyalardan biri kimi önə çıxır.

PCM-lərin emalı üçün UIP2000hdT ultrasəs homogenizatoru

Faza dəyişən materiallar enerji saxlanması üçün niyə əhəmiyyətlidir

Faza dəyişən materiallar enerjini ərimə zamanı udulan və material bərkidikdə buraxılan gizli istilik şəklində saxlayır. İstiliyi yalnız temperatur dəyişikliyi vasitəsilə saxlayan adi materiallardan fərqli olaraq, PCM-lər demək olar ki, sabit temperaturda böyük miqdarda enerji saxlaya və buraxa bilir.
Bu xüsusiyyət onları istiliyin idarə olunması sistemləri üçün olduqca cəlbedici edir. Binalarda PCM-lər gündüz artıq istiliyi udaraq və temperatur aşağı düşdükdə onu buraxaraq daxili temperaturu tənzimləyə bilir. Bərpa olunan enerji sistemlərində onlar günəş kollektorlarından alınan istilik enerjisini saxlamağa kömək edir. Onlardan həmçinin elektronikanın soyudulmasında, batareyaların istilik rejiminin idarə olunmasında və temperatur nəzarətli daşımada getdikcə daha çox istifadə olunur.
Duz hidratları və üzvi materiallar ən geniş tədqiq olunan PCM-lər sırasındadır. Məsələn, Qlauber duzu (natrium sulfat dekahidrat) yüksək ərimə entalpiyası və münasib faza keçidi temperaturu sayəsində böyük maraq doğurmuşdur. Bu xüsusiyyətlər ona əhəmiyyətli miqdarda istilik enerjisini səmərəli şəkildə saxlamağa imkan verir.
Bununla belə, bir çox PCM sistemində sabitlik problemləri müşahidə olunur və onların geniş tətbiqindən əvvəl bu problemlər həll edilməlidir.

Adi PCM-lərin davamlı problemləri

Faza dəyişən materiallar böyük miqdarda enerji saxlaya bilsə də, onların praktiki göstəriciləri çox vaxt materialın təkrarlanan qızdırma və soyutma dövrləri ərzində nə dərəcədə sabit qalmasından asılıdır. Bir çox PCM faza ayrılması, həddindən artıq soyuma və dispersiyanın zəif sabitliyi ilə bağlı problemlər yaşayır; bunların hamısı zamanla istilik göstəricilərini pisləşdirə bilər.
Qlauber duzu kimi duz hidratı sistemlərində bu problemlər xüsusilə qabarıqdır. Ərimə zamanı müxtəlif komponentlər bir-birindən ayrıldıqda faza ayrılması baş verə bilər, həddindən artıq soyuma isə materialın gözlənilən temperaturda kristallaşmasına mane ola bilər. Bu, istiliyin buraxılmasını gecikdirir və sistemin səmərəliliyini azaldır.
Digər geniş yayılmış problem PCM tərkiblərinə əlavələr və ya nanohissəciklər daxil edildikdə aqreqatların əmələ gəlməsidir. Adi qarışdırma üsulları çox vaxt hissəcikləri bərabər paylaya bilmir, nəticədə qeyri-sabit dispersiyalar və qeyri-ardıcıl istilik davranışı yaranır.
Bu məhdudiyyətləri aradan qaldırmaq üçün tədqiqatçılar materialların mikro və nano miqyasda dispersləşdirilməsi üçün yüksək effektiv üsul olan ultrasəs emalına getdikcə daha çox əsaslanırlar.
 

Sonikasiya PCM tərkibinin hazırlanmasını necə yaxşılaşdırır

Sonikasiya yüksək intensivlikli ultrasəs dalğaları mayedə yayıldıqda baş verən akustik kavitasiya hadisəsinə əsaslanır. Bu dalğalar sürətlə çökən mikroskopik qabarcıqlar yaradır və nəticədə son dərəcə yüksək temperatur, təzyiq və kəsilmə qüvvələri olan lokal zonalar əmələ gəlir.
Bu proses ənənəvi mexaniki qarışdırma ilə əldə edilə bilməyən intensiv qarışdırma şəraiti yaradır. Nəticədə, sonikasiya hissəcik aqlomeratlarını parçalaya, hissəcik ölçüsünü azalda və əlavələri PCM matrisi boyunca bərabər paylaya bilir.
PCM dispersiyaları üzərində aparılan eksperimental tədqiqatlar göstərir ki, ultrasəslə qarışdırma maqnit qarışdırmaya nisbətən xeyli kiçik aqreqatlar və daha homogen qarışıqlar yaradır, nəticədə sabitlik və nəticələrin təkrarlana bilməsi yaxşılaşır.
Bu yaxşılaşmalar istilik göstəricilərinə birbaşa təsir edir, çünki homogen dispersiya faza dəyişməsinin bütün material boyunca ardıcıl şəkildə baş verməsini təmin edir.

Sonikasiya PCM sabitliyini niyə artırır

Tədqiqatlar göstərir ki, qarışdırma metodologiyası PCM-in göstəricilərində mühüm rol oynayır.
Məsələn, duz hidratı əsaslı PCM dispersiyaları ilə aparılan təcrübələr ultrasəslə qarışdırmanın ənənəvi qarışdırma üsulları ilə müqayisədə homogenliyi və sabitliyi artırdığını göstərmişdir

Ultrasəs emalı PCM sistemlərini bir neçə mexanizm vasitəsilə təkmilləşdirir:

1. Daha kiçik hissəcik ölçüsü
   Kavitasiya qüvvələri iri kristalları və ya aqreqatları xırda hissəciklərə parçalayır.
2. Dispersiyanın daha bərabər paylanması
   Ultrasəs kristallaşma nüvəsi yaradan maddələr və qatılaşdırıcılar kimi əlavələrin bərabər paylanmasını təmin edir.
3. Azalmış çökmə
   Daha xırda hissəciklər daha uzun müddət asılı vəziyyətdə qalır.
4. Daha yaxşı istilik göstəriciləri
   Homogen sistemlər daha ardıcıl faza keçidləri və daha yüksək effektiv istilik saxlama qabiliyyəti nümayiş etdirir.

Nanohissəciklərlə təkmilləşdirilmiş faza dəyişən materiallar: istilikkeçirmənin artırılması

PCM tədqiqatlarında ən maraqlı inkişaflardan biri nanohissəciklərlə təkmilləşdirilmiş faza dəyişən materialların (NePCMs) ortaya çıxmasıdır. Bu sistemlərdə istilikkeçirməni artırmaq və istilik ötürülməsini sürətləndirmək üçün nanohissəciklər PCM matrisinə daxil edilir.
Qrafen, karbon nanoboruları və metal oksidləri kimi nanomateriallar istilik ötürülmə sürətini əhəmiyyətli dərəcədə artıra bilir. Lakin hissəciklər arasındakı güclü cazibə qüvvələri səbəbindən nanohissəciklər aqlomerasiya etməyə meyllidir. Bu yığınlar lazımi qaydada dispersləşdirilmədikdə, istilikkeçirmədə gözlənilən yaxşılaşmaları əldə etmək mümkün olmur.
Burada ultrasəs emalı mühüm rol oynayır. Sonikasiyanın yaratdığı intensiv kavitasiya qüvvələri nanohissəcik yığınlarını parçalayır və onları PCM boyunca bərabər paylayır. Alınan nanohissəciklərlə təkmilləşdirilmiş PCM-lər istiliyi daha sürətlə udur və buraxır; bu da onları istilik enerjisinin saxlanması tətbiqləri üçün xeyli daha səmərəli edir.

Nanokapsullaşdırma: sızmanın qarşısının alınması və davamlılığın artırılması

Ultrasəs emalının mümkün etdiyi digər mühüm yenilik faza dəyişən materialların nanokapsullaşdırılmasıdır.
Nanokapsullaşdırılmış PCM-lərdə faza dəyişən material qoruyucu qabıqla əhatə olunur – bu qabıq çox vaxt polimerlərdən, silisium dioksiddən və ya hibrid materiallardan hazırlanır. Bu qabıq PCM əridikdə sızmanın qarşısını alır və materialı kimyəvi parçalanmadan qoruyur.
Sonikasiya mikro və nanokapsullar üçün əsas olan son dərəcə incə emulsiyaların istehsalına imkan verir. Proses sonradan PCM nüvəsini təşkil edən bərabər ölçülü damcılar yaradır, qabıq materialları isə onların ətrafında polimerləşir və ya kondensasiya reaksiyasına girir. Alınan kapsullar dar ölçü paylanması və daha yüksək mexaniki sabitlik nümayiş etdirir.
Belə kapsullaşdırılmış PCM-lər ağıllı tekstil, örtüklər, elektronikanın soyudulması və istiliyin idarə olunması sistemləri daxil olmaqla qabaqcıl tətbiqlərdə getdikcə daha çox istifadə olunur.

PCM kimi parafin mumu: sonikasiyanın praktiki nümunəsi

Parafin mumu kimi üzvi faza dəyişən materiallar kimyəvi sabitliyinə, korroziya yaratmamasına və əlverişli ərimə temperaturlarına görə geniş istifadə olunur. Parafin əsaslı PCM-lər tikinti materiallarında, günəş istilik sistemlərində və istilik tənzimləmə texnologiyalarında geniş tətbiq edilir.
Lakin parafin mumu da nisbətən aşağı istilikkeçirməyə malikdir və emulsiyalara və ya kompozit materiallara daxil edildikdə iri damcılar və ya aqreqatlar əmələ gətirə bilər. Sonikasiya bu çətinliklər üçün güclü həll təqdim edir.
Parafin mumu yüksək güclü ultrasəslə emal edildikdə, kavitasiya qüvvələri ərimiş mumu son dərəcə xırda damcılara parçalayaraq sabit emulsiyalar və ya dispersiyalar yaradır. Bu, mumun daşıyıcı maye və ya polimer matrisi daxilində bərabər paylanmasına imkan verir. Alınan PCM tərkibləri daha yaxşı istilik ötürmə xassələri və təkrarlanan faza dəyişməsi dövrləri ərzində daha yüksək sabitlik nümayiş etdirir.
Ultrasəs emalından həmçinin ərimiş mum damcılarının polimer qabıqlar daxilində kapsullaşdırıldığı parafin mikrokapsullarının istehsalında geniş istifadə olunur. Bu kapsullar ərimə zamanı sızmanın qarşısını alır və parafin PCM-lərinin tikinti materiallarına, örtüklərə və ya tekstilə daxil edilməsinə imkan verir.

Hielscher sonikatorları PCM emalı üçün niyə idealdır

Qabaqcıl PCM tərkibləri üçün tələb olunan dispersiya keyfiyyətini əldə etmək üçün yüksək güclü ultrasəs avadanlığı vacibdir. Hielscher Ultrasonics həm tədqiqat laboratoriyaları, həm də sənaye istehsalı üçün ultrasəs prosessorlarının aparıcı təchizatçısına çevrilmişdir.
Hielscher sistemləri ultrasəs amplitudasına, tətbiq olunan gücə və emal müddətinə dəqiq nəzarət təmin edərək tədqiqatçılara PCM tərkiblərini nəticələrin müstəsna dərəcədə təkrarlana bilməsi ilə dəqiq tənzimləməyə imkan verir. Onların ultrasəs prosessorları güclü və sabit kavitasiya sahələri yaradır; bu da hissəcik ölçüsünün səmərəli azaldılmasını, deaqlomerasiyanı və homogenləşdirməni təmin edir.
Hielscher texnologiyasının digər əsas üstünlüyü miqyasının artırıla bilməsidir. Laboratoriya sistemlərində hazırlanmış proseslər birbaşa sənaye ultrasəs reaktorlarına köçürülə bilər; bu da istehsalçılara əsas proses parametrlərini dəyişmədən kiçik miqyaslı təcrübələrdən kommersiya istehsalına keçməyə imkan verir.
Hielscher ultrasəs prosessorları artıq PCM dispersiyalarının hazırlanması üzrə elmi tədqiqatlarda istifadə edilmiş, homogen qarışıqların istehsalında və hissəcik aqreqatlarının kiçildilməsində effektivliyini nümayiş etdirmişdir.

Sonikasiya ilə PCM hazırlanmasında irəliləyişlər

Enerji sistemləri inkişaf etdikcə və istiliyin səmərəli saxlanmasına tələbat artdıqca, qabaqcıl faza dəyişən materiallar getdikcə daha mühüm rol oynayacaq. Bu materialların göstəriciləri yalnız kimyəvi tərkibindən deyil, həm də onların hazırlanması və emalı üçün istifadə olunan üsullardan asılıdır.
Ultrasəs emalı PCM sistemlərinin mikrostrukturuna nəzarət etmək üçün güclü və çox yönlü vasitə təqdim edir. Bərabər paylanmış dispersiyaları, nanohissəciklərin daxil edilməsini və nanokapsullaşdırmanı mümkün etməklə, sonikasiya PCM texnologiyalarının inkişafına ənənəvi olaraq mane olmuş bir çox məhdudiyyəti aradan qaldırmağa kömək edir.

Ultrasəs emalı sürətlə yeni nəsil PCM-lərin yaradılmasını mümkün edən əsas texnologiyaya çevrilir; bunlara aşağıdakılar daxildir:

• Nanohissəciklərlə təkmilləşdirilmiş PCM-lər
• Nanokapsullaşdırılmış PCM-lər
• Yüksək istilikkeçirməli PCM kompozitləri
• Sabit PCM emulsiyaları və dispersiyaları

Hielscher şirkətinin yüksək məhsuldarlıqlı, sənaye tələblərinə uyğun sonikatorları irimiqyaslı istehsala qədər xətti miqyas artırılmasına imkan verir – bununla da faza dəyişən materialları perspektivli laboratoriya materiallarından müasir enerji saxlanması və istiliyin idarə olunması üçün etibarlı həllərə çevirir.

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.