Ултразвукът усъвършенства материалите с фазов преход за съхранение на енергия

С нарастването на световното търсене на ефективно управление на енергията материалите с фазов преход (PCM) привличат внимание като мощно решение за съхранение на топлинна енергия. Тези материали могат да поглъщат и освобождават големи количества топлина при топене и втвърдяване, което ги прави ценни за приложения, вариращи от климатизация на сгради до охлаждане на батерии и системи за възобновяема енергия.
Въпреки обещаващите си свойства обаче много PCM са изправени пред практически предизвикателства, които ограничават широкото им използване. Изследователите и инженерите все по-често прибягват до обработка с ултразвук с висока мощност – известна също като соникация – за да преодолеят тези препятствия и да разкрият пълния потенциал на материалите с фазов преход.
Ултразвуковата обработка позволява създаването на PCM, подобрени с наночастици, и нанокапсулирани PCM, подобрява стабилността на дисперсиите и помага за оптимизиране на топлинните характеристики. В резултат на това ултразвуковата обработка се утвърждава като една от най-ефективните технологии за производство на усъвършенствани PCM системи.

Ултразвуков хомогенизатор UIP2000hdT за обработка на PCM

Защо материалите с фазов преход са важни за съхранението на енергия

Материалите с фазов преход съхраняват енергия под формата на латентна топлина, която се поглъща при топене и се освобождава при втвърдяване на материала. За разлика от конвенционалните материали, които съхраняват топлина единствено чрез промяна на температурата, PCM могат да съхраняват и освобождават големи количества енергия при почти постоянни температури.
Това свойство ги прави изключително привлекателни за системи за топлинно управление. В сградите PCM могат да регулират вътрешните температури, като поглъщат излишната топлина през деня и я освобождават, когато температурите спаднат. В системите за възобновяема енергия те помагат за съхранението на топлинна енергия от слънчеви колектори. Освен това все по-често се използват за охлаждане на електроника, топлинно управление на батерии и транспорт с контролирана температура.
Солните хидрати и органичните материали са сред най-широко изследваните PCM. Например глауберовата сол (натриев сулфат декахидрат) привлича значителен интерес поради високата си енталпия на топене и подходящата температура на фазов преход. Тези характеристики ѝ позволяват ефективно да съхранява значителни количества топлинна енергия.
И все пак много PCM системи проявяват проблеми със стабилността, които трябва да бъдат решени, преди тези системи да бъдат широко внедрени.

Трайните предизвикателства пред конвенционалните PCM

Въпреки че материалите с фазов преход могат да съхраняват големи количества енергия, практическите им характеристики често зависят от това доколко материалът запазва стабилността си при многократни цикли на нагряване и охлаждане. При много PCM се наблюдават фазова сегрегация, преохлаждане и ниска стабилност на дисперсията, като всички тези явления могат да влошат топлинните характеристики с течение на времето.
В системи със солни хидрати, като глауберовата сол, тези проблеми са особено изразени. Фазова сегрегация може да възникне, когато различни компоненти се разделят при топене, докато преохлаждането може да попречи на материала да кристализира при очакваната температура. Това забавя освобождаването на топлина и намалява ефективността на системата.
Друг често срещан проблем е образуването на агрегати при включване на добавки или наночастици в PCM състави. Конвенционалните методи за смесване често не успяват да диспергират частиците равномерно, което води до нестабилни дисперсии и непостоянно топлинно поведение.
За да преодолеят тези ограничения, изследователите все по-често разчитат на ултразвукова обработка, която предлага изключително ефективен метод за диспергиране на материали в микро- и наномащаб.
 

Как ултразвуковата обработка подобрява формулирането на PCM състави

Ултразвуковата обработка се основава на явлението акустична кавитация, което възниква, когато ултразвукови вълни с висок интензитет се разпространяват през течност. Тези вълни образуват микроскопични мехурчета, които бързо колапсират, създавайки локализирани зони с екстремни температури, налягания и сили на срязване.
Този процес създава условия за интензивно смесване, които не могат да бъдат постигнати с традиционно механично разбъркване. В резултат на това ултразвуковата обработка може да разрушава агломерати от частици, да намалява размера на частиците и да разпределя добавките равномерно в цялата PCM матрица.
Експериментални изследвания на PCM дисперсии показват, че ултразвуковото смесване създава значително по-малки агрегати и по-хомогенни смеси от магнитното разбъркване, което води до подобрена стабилност и възпроизводимост.
Тези подобрения влияят пряко върху топлинните характеристики, тъй като хомогенната дисперсия осигурява равномерно протичане на фазовия преход в целия материал.

Защо ултразвуковата обработка подобрява стабилността на PCM

Изследванията показват, че методиката на смесване играе решаваща роля за характеристиките на PCM.
Например експерименти с дисперсии на PCM на основата на солни хидрати показват, че ултразвуковото смесване подобрява хомогенността и стабилността в сравнение с традиционните методи за смесване

Ултразвуковата обработка подобрява PCM системите чрез няколко механизма:

1. По-малък размер на частиците
   Кавитационните сили раздробяват големи кристали или агрегати до фини частици.
2. Подобрена равномерност на дисперсията
   Ултразвукът осигурява равномерно разпределение на добавки като зародишообразуватели и сгъстители.
3. Намалена седиментация
   По-фините частици остават суспендирани по-дълго.
4. По-добри топлинни характеристики
   Хомогенните системи проявяват по-постоянни фазови преходи и по-високо ефективно съхранение на топлина.

Материали с фазов преход, подобрени с наночастици: подобряване на топлопроводността

Едно от най-вълнуващите развития в изследванията на PCM е появата на материали с фазов преход, подобрени с наночастици (NePCM). В тези системи наночастици се включват в PCM матрицата, за да подобрят топлопроводността и да ускорят топлообмена.
Наноматериали като графен, въглеродни нанотръби и метални оксиди могат значително да повишат скоростта на топлообмена. Наночастиците обаче са склонни да се агломерират поради силните сили на привличане между частиците. Ако тези струпвания не бъдат правилно диспергирани, очакваните подобрения в топлопроводността не могат да бъдат постигнати.
Тук ултразвуковата обработка играе решаваща роля. Интензивните кавитационни сили, генерирани от ултразвуковата обработка, разрушават струпванията от наночастици и ги разпределят равномерно в целия PCM. Получените PCM, подобрени с наночастици, поглъщат и освобождават топлина по-бързо, което ги прави много по-ефективни за приложения за съхранение на топлинна енергия.

Нанокапсулиране: предотвратяване на изтичането и подобряване на дълготрайността

Друга важна иновация, станала възможна благодарение на ултразвуковата обработка, е нанокапсулирането на материали с фазов преход.
При нанокапсулираните PCM материалът с фазов преход е затворен в защитна обвивка – често изработена от полимери, силициев диоксид или хибридни материали. Тази обвивка предотвратява изтичането при топене на PCM и защитава материала от химично разграждане.
Ултразвуковата обработка позволява производството на изключително фини емулсии, които служат като основа за микро- и нанокапсули. Процесът генерира еднородни капчици, които впоследствие образуват PCM ядрото, докато материалите на обвивката полимеризират или кондензират около тях. Получените капсули имат тесни разпределения на размера и подобрена механична стабилност.
Такива капсулирани PCM все по-често се използват в усъвършенствани приложения, включително интелигентни текстилни материали, покрития, охлаждане на електроника и системи за топлинно управление.

Парафинът като PCM: практически пример за ултразвукова обработка

Органичните материали с фазов преход, като парафина, се използват широко поради химичната си стабилност, некорозивния си характер и благоприятните температури на топене. PCM на основата на парафин се използват често в строителни материали, слънчеви топлинни системи и технологии за регулиране на температурата.
Парафинът обаче също има сравнително ниска топлопроводност и може да образува големи капчици или агрегати, когато е включен в емулсии или композитни материали. Ултразвуковата обработка предлага мощно решение на тези предизвикателства.
Когато парафинът се обработва с ултразвук с висока мощност, кавитационните сили раздробяват разтопения парафин до изключително фини капчици, създавайки стабилни емулсии или дисперсии. Това позволява парафинът да бъде равномерно разпределен в носеща течност или полимерна матрица. Получените PCM състави проявяват подобрени топлообменни свойства и повишена стабилност при многократни цикли на фазов преход.
Ултразвуковата обработка се използва широко и за производство на парафинови микрокапсули, при които капчиците разтопен парафин се капсулират в полимерни обвивки. Тези капсули предотвратяват изтичането при топене и позволяват интегрирането на парафинови PCM в строителни материали, покрития или текстилни материали.

Защо ултразвуковите апарати Hielscher са идеални за обработка на PCM

Ултразвуковото оборудване с висока мощност е от съществено значение за постигане на качеството на дисперсията, необходимо за усъвършенствани PCM състави. Hielscher Ultrasonics се е превърнала във водещ доставчик на ултразвукови процесори както за изследователски лаборатории, така и за промишлено производство.
Системите Hielscher осигуряват прецизен контрол върху ултразвуковата амплитуда, подаваната мощност и времето за обработка, позволявайки на изследователите да настройват фино PCM съставите с изключителна възпроизводимост. Техните ултразвукови процесори генерират силни и постоянни кавитационни полета, което осигурява ефективно намаляване на размера на частиците, деагломерация и хомогенизация.
Друго ключово предимство на технологията Hielscher е възможността за мащабиране. Процесите, разработени в лабораторни системи, могат да бъдат прехвърлени директно към промишлени ултразвукови реактори, което позволява на производителите да преминат от експерименти в малък мащаб към търговско производство, без да променят основните параметри на процеса.
Ултразвуковите процесори Hielscher вече са използвани в научни изследвания за приготвяне на PCM дисперсии, демонстрирайки ефективността си при получаване на хомогенни смеси и намаляване на агрегатите от частици.

Напредък в разработването на PCM чрез ултразвукова обработка

С развитието на енергийните системи и нарастването на търсенето на ефективно съхранение на топлина усъвършенстваните материали с фазов преход ще играят все по-важна роля. Характеристиките на тези материали зависят не само от химичния им състав, но и от методите, използвани за тяхното приготвяне и обработка.
Ултразвуковата обработка предоставя мощен и универсален инструмент за контролиране на микроструктурата на PCM системите. Като позволява получаването на равномерни дисперсии, интегрирането на наночастици и нанокапсулирането, ултразвуковата обработка помага за преодоляване на много от ограниченията, които традиционно са възпрепятствали PCM технологиите.

Ултразвуковата обработка бързо се превръща в ключова технология за създаване на PCM от следващо поколение, включително:

• PCM, подобрени с наночастици
• Нанокапсулирани PCM
• PCM композити с висока топлопроводност
• Стабилни PCM емулсии и дисперсии

Високопроизводителните ултразвукови апарати Hielscher за промишлена употреба позволяват линейно мащабиране до производство в голям мащаб – като по този начин превръщат материалите с фазов преход от обещаващи лабораторни материали в надеждни решения за съвременно съхранение на енергия и топлинно управление.

Литература / Източници

• 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.