Ultrazvuk přináší pokrok v oblasti materiálů s fázovou změnou pro skladování energie
, Kathrin Hielscher, zveřejněno v Hielscher News
S rostoucí celosvětovou poptávkou po účinném hospodaření s energií se stále více pozornosti věnuje materiálům s fázovou změnou (PCM), které představují výkonné řešení pro skladování tepelné energie. Tyto materiály mohou během tání a tuhnutí absorbovat a uvolňovat velké množství tepla, což je činí cennými pro různé aplikace od řízení klimatu v budovách až po chlazení baterií a systémy obnovitelných zdrojů energie.
Navzdory svým slibným vlastnostem se však mnohé PCM potýkají s praktickými problémy, které omezují jejich široké využití. Výzkumníci a inženýři se stále častěji obracejí k vysoce výkonnému ultrazvukovému zpracování. – známý také jako sonikace – překonat tyto překážky a plně využít potenciál materiálů s fázovou změnou.
Zpracování ultrazvukem umožňuje vytvářet PCM s nanovrstvami a nanokapslemi, zlepšuje disperzní stabilitu a pomáhá optimalizovat tepelný výkon. Sonikace se tak stává jednou z nejúčinnějších technologií pro výrobu pokročilých systémů PCM.
Ultrazvukový homogenizátor UIP2000hdT pro zpracování PCMs
Proč jsou materiály s fázovou změnou důležité pro skladování energie?
Materiály s fázovou změnou uchovávají energii ve formě latentního tepla, které je absorbováno během tání a uvolňuje se při tuhnutí materiálu. Na rozdíl od běžných materiálů, které uchovávají teplo pouze prostřednictvím změny teploty, mohou PCM uchovávat a uvolňovat velké množství energie při téměř konstantních teplotách.
Díky této vlastnosti jsou velmi atraktivní pro systémy tepelného řízení. V budovách mohou PCM regulovat vnitřní teplotu tím, že během dne absorbují přebytečné teplo a při poklesu teploty ho uvolňují. V systémech obnovitelných zdrojů energie pomáhají uchovávat tepelnou energii ze solárních kolektorů. Stále častěji se používají také v chlazení elektroniky, tepelném řízení baterií a v dopravě s řízenou teplotou.
Hydráty solí a organické materiály patří mezi nejčastěji studované PCM. Například Glauberova sůl (dekahydrát síranu sodného) vzbudila značný zájem díky své vysoké entalpii tání a vhodné teplotě fázového přechodu. Tyto vlastnosti jí umožňují účinně uchovávat značné množství tepelné energie.
Mnoho systémů PCM však vykazuje problémy se stabilitou, které je třeba vyřešit, než budou široce rozšířeny.
Ultrazvukový dispergátor UIP6000hdT pro průmyslovou výrobu materiálů s fázovou výměnou a kapalin pro přenos tepla.
Přetrvávající problémy konvenčních PCM
Materiály s fázovou změnou sice mohou uchovávat velké množství energie, ale jejich praktická výkonnost často závisí na tom, jak dobře zůstane materiál stabilní během opakovaných cyklů ohřevu a chlazení. Mnoho PCM trpí fázovou segregací, přechlazováním a špatnou disperzní stabilitou, což může časem zhoršit tepelný výkon.
V systémech hydrátů solí, jako je Glauberova sůl, jsou tyto problémy obzvláště výrazné. Může dojít k segregaci fází, když se během tání oddělí různé složky, zatímco přechlazení může zabránit krystalizaci materiálu při očekávané teplotě. To zpožďuje uvolňování tepla a snižuje účinnost systému.
Dalším častým problémem je tvorba agregátů, když se do PCM formulací přidávají aditiva nebo nanočástice. Běžné metody míchání často nedokážou částice rovnoměrně rozptýlit, což vede k nestabilním disperzím a nekonzistentnímu tepelnému chování.
Při řešení těchto omezení se výzkumníci stále více spoléhají na ultrazvukové zpracování, které nabízí vysoce účinnou metodu dispergace materiálů v mikro- a nanorozměrech.
Jak sonikace zlepšuje formulaci PCM
Sonikace je založena na jevu akustické kavitace, ke kterému dochází při šíření ultrazvukových vln vysoké intenzity kapalinou. Tyto vlny vytvářejí mikroskopické bubliny, které se rychle hroutí a vytvářejí lokalizované zóny s extrémní teplotou, tlakem a smykovými silami.
Tento proces vytváří intenzivní podmínky míchání, kterých nelze dosáhnout tradičním mechanickým mícháním. V důsledku toho může sonikace rozbít aglomeráty částic, zmenšit jejich velikost a rovnoměrně distribuovat přísady v celé matrici PCM.
Experimentální výzkum disperzí PCM ukazuje, že ultrazvukové míchání vytváří výrazně menší agregáty a homogennější směsi než magnetické míchání, což vede k lepší stabilitě a reprodukovatelnosti.
Tato zlepšení přímo ovlivňují tepelné vlastnosti, protože homogenní disperze zajišťuje, že fázová změna probíhá v celém materiálu konzistentně.
Proč sonikace zlepšuje stabilitu PCM
Výzkum ukazuje, že metodika míchání hraje zásadní roli při výkonu PCM.
Například experimenty s disperzemi PCM ve formě solí a hydrátů prokázaly, že ultrazvukové míchání zlepšuje homogenitu a stabilitu ve srovnání s tradičními metodami míchání.
Ultrazvukové zpracování zlepšuje systémy PCM několika mechanismy:
- Menší velikost částic
Kavitační síly rozbíjejí velké krystaly nebo agregáty na jemné částice. - Zlepšená rovnoměrnost rozptylu
Ultrazvuk zajišťuje rovnoměrné rozložení přísad, jako jsou nukleační činidla a zahušťovadla. - Snížená sedimentace
Jemnější částice zůstávají déle suspendovány. - Lepší tepelný výkon
Homogenní systémy vykazují konzistentnější fázové přechody a vyšší efektivní akumulaci tepla.
Stolní sonikátor UIP1000hdT pro dispergaci PCM
Materiály s nano-výraznou fázovou změnou: Zlepšení tepelné vodivosti
Jedním z nejzajímavějších vývojových trendů ve výzkumu PCM je vznik materiálů s nanofázovou změnou (NePCM). V těchto systémech jsou do matrice PCM začleněny nanočástice, které zvyšují tepelnou vodivost a urychlují přenos tepla.
Nanomateriály, jako je grafen, uhlíkové nanotrubičky a oxidy kovů, mohou výrazně zlepšit přenos tepla. Nanočástice však mají tendenci aglomerovat v důsledku silných přitažlivých sil mezi částicemi. Pokud nejsou tyto shluky správně rozptýleny, nelze dosáhnout očekávaného zlepšení tepelné vodivosti.
Zásadní roli zde hraje ultrazvukové zpracování. Intenzivní kavitační síly vznikající při sonikaci rozbíjejí shluky nanočástic a rovnoměrně je rozdělují po celém PCM. Výsledné PCM s nanorozměry vykazují rychlejší absorpci a uvolňování tepla, takže jsou mnohem účinnější pro aplikace skladování tepelné energie.
Nano-zapouzdření: Předcházení únikům a zlepšení trvanlivosti
Další významnou inovací, kterou umožňuje ultrazvukové zpracování, je nanokapsulace materiálů s fázovou změnou.
U nanokapsulovaných PCM je materiál s fázovou změnou uzavřen v ochranném obalu - často z polymerů, oxidu křemičitého nebo hybridních materiálů. Tento obal zabraňuje úniku při tání PCM a chrání materiál před chemickou degradací.
Sonikace umožňuje výrobu extrémně jemných emulzí, které slouží jako základ mikro- a nanokapslí. Proces vytváří rovnoměrné kapičky, které později tvoří jádro PCM, zatímco obalové materiály kolem nich polymerují nebo kondenzují. Výsledné kapsle vykazují úzké rozdělení velikosti a lepší mechanickou stabilitu.
Takto zapouzdřené PCM se stále častěji používají v pokročilých aplikacích, včetně inteligentních textilií, nátěrů, chlazení elektroniky a systémů tepelného řízení.
Parafínový vosk jako PCM: praktický příklad sonikace
Organické materiály s fázovou změnou, jako je parafín, jsou široce používány díky své chemické stabilitě, nekorozivní povaze a příznivé teplotě tání. PCM na bázi parafínu se běžně používají ve stavebních materiálech, solárních tepelných systémech a technologiích tepelné regulace.
Parafínový vosk však také trpí relativně nízkou tepelnou vodivostí a může vytvářet velké kapky nebo agregáty, pokud je součástí emulzí nebo kompozitních materiálů. Sonikace nabízí účinné řešení těchto problémů.
Při zpracování parafínového vosku pomocí ultrazvuku s vysokým výkonem rozbíjejí kavitační síly roztavený vosk na velmi jemné kapičky a vytvářejí stabilní emulze nebo disperze. To umožňuje rovnoměrnou distribuci vosku v nosné kapalině nebo polymerní matrici. Výsledné formulace PCM vykazují lepší vlastnosti přenosu tepla a zvýšenou stabilitu během opakovaných cyklů fázových změn.
Ultrazvukové zpracování se také hojně využívá k výrobě parafínových mikrokapslí, kde jsou kapičky roztaveného vosku uzavřeny v polymerních obalech. Tyto kapsle zabraňují úniku při tavení a umožňují integraci parafínových PCM do stavebních materiálů, nátěrů nebo textilií.
Proč jsou sonikátory Hielscher ideální pro zpracování PCM
Vysoce výkonné ultrazvukové zařízení je nezbytné pro dosažení kvality disperze požadované pro pokročilé formulace PCM. Společnost Hielscher Ultrasonics se stala předním dodavatelem ultrazvukových procesorů pro výzkumné laboratoře i průmyslovou výrobu.
Systémy Hielscher poskytují přesnou kontrolu nad amplitudou ultrazvuku, příkonem a dobou zpracování, což výzkumníkům umožňuje vyladit formulace PCM s výjimečnou reprodukovatelností. Jejich ultrazvukové procesory vytvářejí silná a konzistentní kavitační pole, což zajišťuje účinnou redukci velikosti částic, deaglomeraci a homogenizaci.
Další klíčovou výhodou technologie Hielscher je škálovatelnost. Procesy vyvinuté v laboratorních systémech lze přenést přímo do průmyslových ultrazvukových reaktorů, což výrobcům umožňuje přejít od experimentů v malém měřítku ke komerční výrobě beze změny základních parametrů procesu.
Ultrazvukové procesory Hielscher již byly použity ve vědeckých studiích pro přípravu disperzí PCM, které prokázaly jejich účinnost při výrobě homogenních směsí a snižování agregátů částic.
Pokroky ve vývoji PCM pomocí sonikace
S rozvojem energetických systémů a rostoucí poptávkou po účinném skladování tepla budou hrát pokročilé materiály s fázovou změnou stále důležitější roli. Výkonnost těchto materiálů závisí nejen na jejich chemickém složení, ale také na metodách jejich přípravy a zpracování.
Ultrazvukové zpracování představuje výkonný a univerzální nástroj pro kontrolu mikrostruktury systémů PCM. Sonikace umožňuje vytvářet rovnoměrné disperze, integrovat nanočástice a provádět nanokapsulace a pomáhá tak překonat mnohá omezení, která tradičně bránila technologiím PCM.
Ultrazvukové zpracování se rychle stává klíčovou technologií pro PCM nové generace, včetně:
- PCM s nanotechnologiemi
- Nano-zapouzdřené PCM
- Vysoce vodivé kompozity PCM
- Stabilní emulze a disperze PCM
Vysoce výkonné sonikátory Hielscher pro průmyslové použití umožňují lineární rozšiřování výroby ve velkém měřítku, čímž se materiály s fázovou změnou mění ze slibných laboratorních materiálů na spolehlivá řešení pro moderní skladování energie a tepelné hospodářství.
Nano-disperze se sondovým sonikátorem UP400ST
Běžné materiály s fázovou změnou, jejich vlastnosti a účinky sonikace
| Materiál pro fázovou změnu | Typické použití / poznámky | Výhody dosažené sonikací |
|---|---|---|
| Parafínový vosk (např. RT parafíny, technické parafíny) | Organický PCM; široce používaný pro stavební materiály, tepelné obaly, chlazení elektroniky. |
Sonikace vytváří jemné, stabilní disperze/emulze vosk ve vodě (nebo vosk v polymeru), snižuje velikost kapek, zlepšuje homogenitu, podporuje mikro/nanokapsulace a umožňuje lepší distribuci plniva pro rychlejší přenos tepla. |
| mastné kyseliny (např. kyselina laurová, myristová, palmitová, stearová) | Organický PCM; dobrá cyklická stabilita, používá se ve stavebnictví a jako tepelný tlumič. |
Ultrazvuková emulgace zlepšuje stabilitu fází a snižuje jejich oddělování; pomáhá rozptýlit látky zvyšující tepelnou vodivost. (např. uhlíkové přísady) rovnoměrněji pro lepší rychlost nabíjení/vybíjení. |
| Hydráty soli (např. dekahydrát síranu sodného / Glauberova sůl, CaCl).2·6H2O) | Vysoké latentní teplo; atraktivní pro TES, ale náchylné k segregaci a přechlazování. |
Sonikace zlepšuje kvalitu disperze a může snížit velikost agregátů oproti běžnému míchání, což podporuje homogennější směsi. Ve studii disperze Glauberovy soli byla sonikace vybrána jako účinnější než magnetické míchání při redukci agregátů, a pořadí přípravy silně ovlivnily homogenitu a stabilitu. |
| Polyethylenglykoly (PEG) (např. PEG 600-6000) | Organický PCM; laditelný rozsah tání; používá se v kompozitech a zapouzdřených systémech. |
Sonikace zlepšuje míchání do polymerních matric a podporuje tvorbu rovnoměrných kapiček PCM pro zapouzdření, a zvyšuje disperzi nanočástic (nano-enhanced PCMs), aby se zvýšila efektivní tepelná vodivost. |
| Cukerné alkoholy (např. erytritol, xylitol, manitol). | PCM pro vyšší teploty; rekuperace průmyslového odpadního tepla, vysokoteplotní skladování. |
Zpracování ultrazvukem zvyšuje deaglomeraci přidaných nukleantů/termických plniv, zlepšuje rovnoměrnost suspenzí/roztoků, a mohou podpořit konzistentnější krystalizační chování ve formulovaných systémech (zejména v kombinaci s nukleačními činidly). |
| Bio oleje / estery (např. deriváty palmového oleje, estery mastných kyselin) | Obnovitelné organické PCM; použití ve stavebnictví a obalové technice. |
Sonikace zlepšuje emulgaci a stabilizuje disperze a umožňuje jemné rozdělení kapiček, snadnější zabudování do nátěrů/polymerů a reprodukovatelnější výroba kompozitních PCM. |
| Eutektické PCM (organické a organické, směsi hydrátů solí) | Navržené body tání; používají se v případě potřeby přesné teploty přechodu. |
Míchání ultrazvukem urychluje homogenizaci vícesložkových směsí, snižuje lokální gradienty složení, zlepšuje disperzi stabilizátorů/nukleantů a podporuje konzistentní chování při fázových změnách během cyklování. |
| Zapouzdřené PCM (mikro/nanokapsulované parafíny, hydráty solí) | Prevence úniků; snadná integrace do textilií, nátěrů, nástěnných desek a kapalin. |
Sonikace umožňuje vytvářet stabilní nanoemulze a úzké rozdělení velikosti kapek, které se projeví rovnoměrnější velikostí kapslí, lepší účinnost zapouzdření, snížení úniků a předvídatelnější tepelnou odezvu. |
| PCM s nanotechnologiemi (PCM + grafen/CNT/oxidy kovů) | Navrženo pro vyšší efektivní tepelnou vodivost a rychlejší výměnu tepla. |
Deaglomerace poháněná kavitací rozptyluje nanočástice rovnoměrněji, čímž se zvyšují efektivní cesty přenosu tepla, snížení rizika sedimentace (při správném složení) a zlepšení opakovatelnosti jednotlivých šarží. |
Literatura / Reference
- 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.
Nejčastější dotazy
Jaké jsou aplikace materiálů s fázovou změnou?
Materiály s fázovou změnou (PCM) se široce používají pro skladování tepelné energie a regulaci teploty. Díky své schopnosti absorbovat a uvolňovat velké množství latentního tepla při fázových přechodech jsou užitečné pro regulaci klimatu v budovách, skladování solární tepelné energie, rekuperaci odpadního tepla v průmyslu, tepelné řízení baterií a elektroniky, dopravu s řízenou teplotou, textilie s regulací teploty a lékařské nebo potravinářské obaly, kde je třeba udržovat stabilní teplotu.
Jaké materiály pro fázovou změnu se používají ve stavebnictví?
Ve stavebnictví se nejčastěji používají parafínové vosky, mastné kyseliny, hydráty solí (např. dekahydrát síranu sodného nebo hydráty chloridu vápenatého) a polyethylenglykoly (PEG). Tyto materiály jsou často součástí sádrokartonových desek, stěnových panelů, izolačních materiálů a betonových kompozitů. Organické PCM, jako jsou parafíny, jsou obzvláště oblíbené, protože jsou chemicky stabilní a nekorodují, zatímco hydráty solí jsou ceněny pro svou vysokou kapacitu akumulace latentního tepla.
Jaké materiály s fázovou změnou mají nejvyšší kapacitu pro ukládání energie?
Z běžně používaných PCM vykazují nejvyšší kapacitu latentního tepla hydráty solí a některé kovové nebo anorganické PCM. Hydráty solí, jako je dekahydrát síranu sodného (Glauberova sůl), mohou uchovávat více než 200-250 kJ/kg latentního tepla, což je činí vysoce účinnými pro skladování tepelné energie. Některé cukerné alkoholy, jako například erytritol, mají rovněž velmi vysokou kapacitu latentního tepla při zvýšených teplotách fázové změny.
Používají se v elektronice materiály s fázovou změnou?
Ano, materiály s fázovou výměnou se stále častěji používají v tepelném managementu elektroniky. PCM jsou součástí chladičů, bateriových bloků a chladicích modulů, aby absorbovaly špičkové tepelné zatížení a zabránily přehřátí citlivých komponent. Během provozu se PCM taví a absorbuje přebytečné teplo, čímž stabilizuje teplotu zařízení a zvyšuje spolehlivost a životnost elektronických systémů, jako jsou procesory, LED diody a lithium-iontové baterie.
Ultrazvukem redukovaný a dispergovaný hydroxyapatit vápenatý
Hielscher Ultrasonics vyrábí vysoce výkonné ultrazvukové homogenizátory od laboratoř k průmyslová velikost.