Οι υπέρηχοι προάγουν τα υλικά αλλαγής φάσης για την αποθήκευση ενέργειας

Καθώς αυξάνεται η παγκόσμια ζήτηση για αποδοτική διαχείριση της ενέργειας, τα υλικά αλλαγής φάσης (PCM) προσελκύουν το ενδιαφέρον ως μια ισχυρή λύση για την αποθήκευση θερμικής ενέργειας. Αυτά τα υλικά μπορούν να απορροφούν και να αποδεσμεύουν μεγάλες ποσότητες θερμότητας κατά την τήξη και τη στερεοποίηση, γεγονός που τα καθιστά πολύτιμα για εφαρμογές που εκτείνονται από τον έλεγχο του κλίματος στα κτίρια έως την ψύξη μπαταριών και τα συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
Ωστόσο, παρά τις πολλά υποσχόμενες ιδιότητές τους, πολλά PCM αντιμετωπίζουν πρακτικές προκλήσεις που περιορίζουν την ευρεία χρήση τους. Ερευνητές και μηχανικοί στρέφονται όλο και περισσότερο στην επεξεργασία με υπερήχους υψηλής ισχύος – γνωστή και ως κατεργασία με υπερήχους – για να ξεπεράσουν αυτά τα εμπόδια και να αξιοποιήσουν πλήρως τις δυνατότητες των υλικών αλλαγής φάσης.
Η επεξεργασία με υπερήχους επιτρέπει τη δημιουργία PCM ενισχυμένων με νανοϋλικά και νανοενθυλακωμένων PCM, βελτιώνει τη σταθερότητα των διασπορών και συμβάλλει στη βελτιστοποίηση της θερμικής απόδοσης. Ως αποτέλεσμα, η κατεργασία με υπερήχους αναδεικνύεται σε μία από τις αποτελεσματικότερες τεχνολογίες για την παραγωγή προηγμένων συστημάτων PCM.

Ομογενοποιητής υπερήχων UIP2000hdT για την επεξεργασία PCM

Γιατί τα υλικά αλλαγής φάσης είναι σημαντικά για την αποθήκευση ενέργειας

Τα υλικά αλλαγής φάσης αποθηκεύουν ενέργεια με τη μορφή λανθάνουσας θερμότητας, η οποία απορροφάται κατά την τήξη και αποδεσμεύεται όταν το υλικό στερεοποιείται. Σε αντίθεση με τα συμβατικά υλικά που αποθηκεύουν θερμότητα αποκλειστικά μέσω της μεταβολής της θερμοκρασίας, τα PCM μπορούν να αποθηκεύουν και να αποδεσμεύουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας σε σχεδόν σταθερές θερμοκρασίες.
Αυτή η ιδιότητα τα καθιστά ιδιαίτερα ελκυστικά για συστήματα θερμικής διαχείρισης. Στα κτίρια, τα PCM μπορούν να ρυθμίζουν τις εσωτερικές θερμοκρασίες απορροφώντας την πλεονάζουσα θερμότητα κατά τη διάρκεια της ημέρας και αποδεσμεύοντάς την όταν οι θερμοκρασίες πέφτουν. Στα συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, συμβάλλουν στην αποθήκευση θερμικής ενέργειας από ηλιακούς συλλέκτες. Χρησιμοποιούνται επίσης όλο και περισσότερο στην ψύξη ηλεκτρονικών συστημάτων, στη θερμική διαχείριση μπαταριών και στις μεταφορές υπό ελεγχόμενη θερμοκρασία.
Τα ένυδρα άλατα και τα οργανικά υλικά συγκαταλέγονται στα ευρύτερα μελετημένα PCM. Για παράδειγμα, το άλας του Glauber (δεκαένυδρο θειικό νάτριο) έχει προσελκύσει σημαντικό ενδιαφέρον λόγω της υψηλής ενθαλπίας τήξης και της κατάλληλης θερμοκρασίας μετάβασης φάσης. Αυτά τα χαρακτηριστικά τού επιτρέπουν να αποθηκεύει αποδοτικά σημαντικές ποσότητες θερμικής ενέργειας.
Ωστόσο, πολλά συστήματα PCM παρουσιάζουν προβλήματα σταθερότητας που πρέπει να αντιμετωπιστούν προτού καταστεί δυνατή η ευρεία υιοθέτησή τους.

Οι επίμονες προκλήσεις των συμβατικών PCM

Παρότι τα υλικά αλλαγής φάσης μπορούν να αποθηκεύουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας, η απόδοσή τους στην πράξη συχνά εξαρτάται από το πόσο σταθερό παραμένει το υλικό κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενων κύκλων θέρμανσης και ψύξης. Πολλά PCM παρουσιάζουν διαχωρισμό φάσεων, υπέρψυξη και χαμηλή σταθερότητα διασποράς, φαινόμενα που μπορούν όλα να υποβαθμίσουν τη θερμική απόδοση με την πάροδο του χρόνου.
Σε συστήματα ένυδρων αλάτων, όπως το άλας του Glauber, αυτά τα προβλήματα είναι ιδιαίτερα έντονα. Διαχωρισμός φάσεων μπορεί να προκύψει όταν διαφορετικά συστατικά διαχωρίζονται κατά την τήξη, ενώ η υπέρψυξη ενδέχεται να εμποδίσει την κρυστάλλωση του υλικού στην αναμενόμενη θερμοκρασία. Αυτό καθυστερεί την αποδέσμευση θερμότητας και μειώνει την απόδοση του συστήματος.
Ένα ακόμη συνηθισμένο πρόβλημα είναι ο σχηματισμός συσσωματωμάτων όταν πρόσθετα ή νανοσωματίδια ενσωματώνονται σε συνθέσεις PCM. Οι συμβατικές μέθοδοι ανάμειξης συχνά δεν επιτυγχάνουν ομοιόμορφη διασπορά των σωματιδίων, με αποτέλεσμα ασταθείς διασπορές και ανομοιόμορφη θερμική συμπεριφορά.
Για την αντιμετώπιση αυτών των περιορισμών, οι ερευνητές βασίζονται όλο και περισσότερο στην επεξεργασία με υπερήχους, η οποία προσφέρει μια ιδιαίτερα αποτελεσματική μέθοδο για τη διασπορά υλικών στη μικροκλίμακα και τη νανοκλίμακα.
 

Πώς η κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει τη διαμόρφωση συνθέσεων PCM

Η κατεργασία με υπερήχους βασίζεται στο φαινόμενο της ακουστικής σπηλαίωσης, το οποίο εμφανίζεται όταν υπερηχητικά κύματα υψηλής έντασης διαδίδονται μέσα σε ένα υγρό. Αυτά τα κύματα δημιουργούν μικροσκοπικές φυσαλίδες που καταρρέουν ταχύτατα, παράγοντας τοπικές ζώνες ακραίων θερμοκρασιών, πιέσεων και δυνάμεων διάτμησης.
Αυτή η διεργασία δημιουργεί συνθήκες έντονης ανάμειξης που δεν μπορούν να επιτευχθούν με την παραδοσιακή μηχανική ανάδευση. Ως αποτέλεσμα, η κατεργασία με υπερήχους μπορεί να διασπάσει συσσωματώματα σωματιδίων, να μειώσει το μέγεθος των σωματιδίων και να κατανείμει ομοιόμορφα τα πρόσθετα σε ολόκληρη τη μήτρα του PCM.
Η πειραματική έρευνα σε διασπορές PCM καταδεικνύει ότι η ανάμειξη με υπερήχους παράγει σημαντικά μικρότερα συσσωματώματα και πιο ομοιογενή μείγματα από τη μαγνητική ανάδευση, με αποτέλεσμα βελτιωμένη σταθερότητα και αναπαραγωγιμότητα.
Αυτές οι βελτιώσεις επηρεάζουν άμεσα τη θερμική απόδοση, επειδή μια ομοιογενής διασπορά διασφαλίζει ότι η αλλαγή φάσης πραγματοποιείται με συνέπεια σε ολόκληρο το υλικό.

Γιατί η κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει τη σταθερότητα των PCM

Η έρευνα δείχνει ότι η μεθοδολογία ανάμειξης παίζει καθοριστικό ρόλο στην απόδοση των PCM.
Για παράδειγμα, πειράματα με διασπορές PCM από ένυδρα άλατα κατέδειξαν ότι η ανάμειξη με υπερήχους βελτίωσε την ομοιογένεια και τη σταθερότητα σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους ανάμειξης

Η κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει τα συστήματα PCM μέσω διαφόρων μηχανισμών:

1. Μικρότερο μέγεθος σωματιδίων
   Οι δυνάμεις σπηλαίωσης διασπούν μεγάλους κρυστάλλους ή συσσωματώματα σε λεπτά σωματίδια.
2. Βελτιωμένη ομοιομορφία διασποράς
   Οι υπέρηχοι διασφαλίζουν την ομοιόμορφη κατανομή προσθέτων, όπως οι παράγοντες πυρήνωσης και τα πηκτικά.
3. Μειωμένη καθίζηση
   Τα λεπτότερα σωματίδια παραμένουν σε αιώρηση για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα.
4. Καλύτερη θερμική απόδοση
   Τα ομοιογενή συστήματα παρουσιάζουν πιο σταθερή συμπεριφορά κατά τις μεταβάσεις φάσης και μεγαλύτερη ενεργό αποθήκευση θερμότητας.

Υλικά αλλαγής φάσης ενισχυμένα με νανοσωματίδια: Βελτίωση της θερμικής αγωγιμότητας

Μία από τις πιο συναρπαστικές εξελίξεις στην έρευνα για τα PCM είναι η εμφάνιση υλικών αλλαγής φάσης ενισχυμένων με νανοσωματίδια (NePCMs). Σε αυτά τα συστήματα, νανοσωματίδια ενσωματώνονται στη μήτρα του PCM για να ενισχύσουν τη θερμική αγωγιμότητα και να επιταχύνουν τη μεταφορά θερμότητας.
Νανοϋλικά όπως το γραφένιο, οι νανοσωλήνες άνθρακα και τα οξείδια μετάλλων μπορούν να βελτιώσουν σημαντικά τους ρυθμούς μεταφοράς θερμότητας. Ωστόσο, τα νανοσωματίδια τείνουν να συσσωματώνονται λόγω των ισχυρών ελκτικών δυνάμεων μεταξύ των σωματιδίων. Εάν αυτά τα συσσωματώματα δεν διασπαρούν σωστά, οι αναμενόμενες βελτιώσεις στη θερμική αγωγιμότητα δεν μπορούν να επιτευχθούν.
Η κατεργασία με υπερήχους παίζει καθοριστικό ρόλο εδώ. Οι έντονες δυνάμεις σπηλαίωσης που παράγονται από την κατεργασία με υπερήχους διασπούν τα συσσωματώματα νανοσωματιδίων και τα κατανέμουν ομοιόμορφα σε ολόκληρο το PCM. Τα προκύπτοντα PCM που είναι ενισχυμένα με νανοσωματίδια παρουσιάζουν ταχύτερη απορρόφηση και απελευθέρωση θερμότητας, γεγονός που τα καθιστά πολύ πιο αποδοτικά για εφαρμογές αποθήκευσης θερμικής ενέργειας.

Νανοενθυλάκωση: Πρόληψη διαρροών και βελτίωση της ανθεκτικότητας

Μια άλλη σημαντική καινοτομία που καθίσταται δυνατή χάρη στην κατεργασία με υπερήχους είναι η νανοενθυλάκωση των υλικών αλλαγής φάσης.
Στα νανοενθυλακωμένα PCM, το υλικό αλλαγής φάσης περικλείεται μέσα σε ένα προστατευτικό κέλυφος – συχνά κατασκευασμένο από πολυμερή, διοξείδιο του πυριτίου ή υβριδικά υλικά. Αυτό το κέλυφος αποτρέπει τη διαρροή όταν το PCM τήκεται και προστατεύει το υλικό από τη χημική υποβάθμιση.
Η κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει την παραγωγή γαλακτωμάτων με εξαιρετικά λεπτά σταγονίδια, τα οποία χρησιμεύουν ως βάση για μικροκάψουλες και νανοκάψουλες. Η διεργασία δημιουργεί ομοιόμορφα σταγονίδια που αργότερα σχηματίζουν τον πυρήνα από PCM, ενώ τα υλικά του κελύφους πολυμερίζονται ή υφίστανται αντίδραση συμπύκνωσης γύρω τους. Οι προκύπτουσες κάψουλες παρουσιάζουν στενές κατανομές μεγέθους και βελτιωμένη μηχανική σταθερότητα.
Τέτοια ενθυλακωμένα PCM χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο σε προηγμένες εφαρμογές, όπως τα έξυπνα κλωστοϋφαντουργικά προϊόντα, οι επιστρώσεις, η ψύξη ηλεκτρονικών και τα συστήματα θερμικής διαχείρισης.

Κηρός παραφίνης ως PCM: Ένα πρακτικό παράδειγμα κατεργασίας με υπερήχους

Τα οργανικά υλικά αλλαγής φάσης, όπως ο κηρός παραφίνης, χρησιμοποιούνται ευρέως λόγω της χημικής τους σταθερότητας, του μη διαβρωτικού χαρακτήρα τους και των ευνοϊκών θερμοκρασιών τήξης τους. Τα PCM με βάση την παραφίνη χρησιμοποιούνται συνήθως σε δομικά υλικά, ηλιοθερμικά συστήματα και τεχνολογίες θερμικής ρύθμισης.
Ωστόσο, ο κηρός παραφίνης παρουσιάζει επίσης σχετικά χαμηλή θερμική αγωγιμότητα και μπορεί να σχηματίσει μεγάλα σταγονίδια ή συσσωματώματα όταν ενσωματώνεται σε γαλακτώματα ή σύνθετα υλικά. Η κατεργασία με υπερήχους προσφέρει μια ισχυρή λύση για αυτές τις προκλήσεις.
Όταν ο κηρός παραφίνης υποβάλλεται σε κατεργασία με υπερήχους υψηλής ισχύος, οι δυνάμεις σπηλαίωσης διασπούν τον τηγμένο κηρό σε εξαιρετικά λεπτά σταγονίδια, δημιουργώντας σταθερά γαλακτώματα ή διασπορές. Αυτό επιτρέπει την ομοιόμορφη κατανομή του κηρού μέσα σε ένα ρευστό φορέα ή μια πολυμερική μήτρα. Οι συνθέσεις PCM που προκύπτουν παρουσιάζουν βελτιωμένες ιδιότητες μεταφοράς θερμότητας και αυξημένη σταθερότητα κατά τη διάρκεια επαναλαμβανόμενων κύκλων αλλαγής φάσης.
Η κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιείται επίσης ευρέως για την παραγωγή μικροκαψουλών παραφίνης, στις οποίες σταγονίδια τηγμένου κηρού ενθυλακώνονται μέσα σε πολυμερικά κελύφη. Αυτές οι κάψουλες αποτρέπουν τη διαρροή κατά την τήξη και επιτρέπουν την ενσωμάτωση PCM παραφίνης σε δομικά υλικά, επιστρώσεις ή υφάσματα.

Γιατί οι συσκευές υπερήχων Hielscher είναι ιδανικές για την επεξεργασία PCM

Ο εξοπλισμός υπερήχων υψηλής ισχύος είναι απαραίτητος για την επίτευξη της ποιότητας διασποράς που απαιτείται για προηγμένες συνθέσεις PCM. Η Hielscher Ultrasonics έχει αναδειχθεί σε κορυφαίο προμηθευτή επεξεργαστών υπερήχων τόσο για ερευνητικά εργαστήρια όσο και για βιομηχανική παραγωγή.
Τα συστήματα Hielscher παρέχουν ακριβή έλεγχο του πλάτους ταλάντωσης των υπερήχων, της παρεχόμενης ισχύος και του χρόνου επεξεργασίας, επιτρέποντας στους ερευνητές να ρυθμίζουν με ακρίβεια τις συνθέσεις PCM με εξαιρετική αναπαραγωγιμότητα. Οι επεξεργαστές υπερήχων τους δημιουργούν ισχυρά και σταθερά πεδία σπηλαίωσης, εξασφαλίζοντας αποτελεσματική μείωση του μεγέθους των σωματιδίων, αποσυσσωμάτωση και ομογενοποίηση.
Ένα ακόμη βασικό πλεονέκτημα της τεχνολογίας Hielscher είναι η δυνατότητα κλιμάκωσης. Οι διεργασίες που αναπτύσσονται σε εργαστηριακά συστήματα μπορούν να μεταφερθούν απευθείας σε βιομηχανικούς αντιδραστήρες υπερήχων, επιτρέποντας στους κατασκευαστές να μεταβαίνουν από τον πειραματισμό μικρής κλίμακας στην εμπορική παραγωγή χωρίς να αλλάζουν τις υποκείμενες παραμέτρους της διεργασίας.
Οι επεξεργαστές υπερήχων Hielscher έχουν ήδη χρησιμοποιηθεί σε επιστημονικές μελέτες για την παρασκευή διασπορών PCM, αποδεικνύοντας την αποτελεσματικότητά τους στην παραγωγή ομοιογενών μειγμάτων και στη μείωση των συσσωματωμάτων σωματιδίων.

Πρόοδοι στην ανάπτυξη PCM με κατεργασία με υπερήχους

Καθώς τα ενεργειακά συστήματα εξελίσσονται και η ζήτηση για αποδοτική αποθήκευση θερμότητας αυξάνεται, τα προηγμένα υλικά αλλαγής φάσης θα διαδραματίζουν ολοένα και σημαντικότερο ρόλο. Η απόδοση αυτών των υλικών εξαρτάται όχι μόνο από τη χημική τους σύσταση αλλά και από τις μεθόδους που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή και την επεξεργασία τους.
Η κατεργασία με υπερήχους παρέχει ένα ισχυρό και ευέλικτο εργαλείο για τον έλεγχο της μικροδομής των συστημάτων PCM. Επιτρέποντας την επίτευξη ομοιόμορφων διασπορών, την ενσωμάτωση νανοσωματιδίων και τη νανοενθυλάκωση, η κατεργασία με υπερήχους συμβάλλει στην υπέρβαση πολλών από τους περιορισμούς που παραδοσιακά παρεμπόδιζαν τις τεχνολογίες PCM.

Η κατεργασία με υπερήχους εξελίσσεται ταχύτατα σε βασική τεχνολογία που καθιστά δυνατή την ανάπτυξη PCM επόμενης γενιάς, στα οποία περιλαμβάνονται:

• PCM ενισχυμένα με νανοϋλικά
• Νανοενθυλακωμένα PCM
• Σύνθετα υλικά PCM υψηλής θερμικής αγωγιμότητας
• Σταθερά γαλακτώματα και διασπορές PCM

Οι συσκευές υπερήχων Hielscher υψηλής απόδοσης και βιομηχανικών προδιαγραφών επιτρέπουν τη γραμμική κλιμάκωση σε παραγωγή μεγάλης κλίμακας – μετατρέποντας έτσι τα υλικά αλλαγής φάσης από υποσχόμενα εργαστηριακά υλικά σε αξιόπιστες λύσεις για τη σύγχρονη αποθήκευση ενέργειας και τη θερμική διαχείριση.

Βιβλιογραφία / Αναφορές

• 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.