Ultraheli edendab faasimuutusmaterjale energia salvestamiseks

Kuna üleilmne nõudlus tõhusa energiahalduse järele kasvab, pälvivad faasimuutusmaterjalid (PCM-id) üha enam tähelepanu võimsa lahendusena soojusenergia salvestamiseks. Need materjalid suudavad sulamisel ja tahkumisel neelata ja vabastada suurel hulgal soojust, mistõttu on need väärtuslikud rakendustes, mis ulatuvad hoonete kliimaregulatsioonist akude jahutamise ja taastuvenergiasüsteemideni.
Siiski seisavad paljud PCM-id oma paljutõotavatest omadustest hoolimata silmitsi praktiliste probleemidega, mis piiravad nende laialdast kasutamist. Teadlased ja insenerid pöörduvad üha enam suure võimsusega ultraheli töötluse – tuntud ka kui sonikeerimine – poole, et need takistused ületada ja avada faasimuutusmaterjalide täielik potentsiaal.
Ultraheli töötlus võimaldab luua nanotäiustatud ja nanokapseldatud PCM-e, parandab dispersiooni stabiilsust ning aitab optimeerida soojuslikku jõudlust. Seetõttu on sonikeerimine kujunemas üheks kõige tõhusamaks tehnoloogiaks täiustatud PCM-süsteemide valmistamisel.

Ultraheli homogenisaator UIP2000hdT PCM-ide töötlemiseks

Miks on faasimuutusmaterjalid energia salvestamisel olulised

Faasimuutusmaterjalid salvestavad energiat latentse soojuse kujul, mis neeldub sulamisel ja vabaneb materjali tahkumisel. Erinevalt tavamaterjalidest, mis salvestavad soojust ainult temperatuurimuutuse kaudu, saavad PCM-id salvestada ja vabastada suurel hulgal energiat peaaegu konstantsetel temperatuuridel.
See omadus muudab need väga atraktiivseks soojushaldussüsteemide jaoks. Hoonetes saavad PCM-id reguleerida sisetemperatuuri, neelates päeval liigset soojust ja vabastades selle temperatuuri langedes. Taastuvenergiasüsteemides aitavad need salvestada päikesekollektorite soojusenergiat. Neid kasutatakse üha enam ka elektroonika jahutamisel, akude soojushalduses ja temperatuurikontrollitud transpordis.
Soolahüdraadid ja orgaanilised materjalid kuuluvad enim uuritud PCM-ide hulka. Näiteks Glauberi sool (naatriumsulfaat-dekahüdraat) on pälvinud märkimisväärset huvi oma suure sulamisentalpia ja sobiva faasisiirde temperatuuri tõttu. Need omadused võimaldavad sellel salvestada tõhusalt märkimisväärses koguses soojusenergiat.
Siiski esineb paljudes PCM-süsteemides stabiilsusprobleeme, mis tuleb lahendada enne, kui neid saab laialdaselt kasutusele võtta.

Tavapäraste PCM-ide püsivad probleemid

Kuigi faasimuutusmaterjalid suudavad salvestada suurel hulgal energiat, sõltub nende praktiline jõudlus sageli sellest, kui hästi materjal püsib stabiilsena korduvate kuumutus- ja jahutustsüklite ajal. Paljudel PCM-idel esineb faasiseparatsiooni, ülejahtumist ja halba dispersiooni stabiilsust, mis kõik võivad aja jooksul soojuslikku jõudlust halvendada.
Soolahüdraatsüsteemides, näiteks Glauberi soola puhul, on need probleemid eriti väljendunud. Faasiseparatsioon võib tekkida siis, kui erinevad komponendid sulamisel eralduvad, samas kui ülejahtumine võib takistada materjali kristalliseerumist oodatud temperatuuril. See viivitab soojuse vabanemist ja vähendab süsteemi tõhusust.
Teine levinud probleem on agregaatide teke, kui lisandid või nanoosakesed viiakse PCM-i koostistesse. Tavapärased segamismeetodid ei suuda sageli osakesi ühtlaselt dispergeerida, mille tulemuseks on ebastabiilsed dispersioonid ja ebaühtlane soojuslik käitumine.
Nende piirangute ületamiseks tuginevad teadlased üha enam ultraheli töötlusele, mis pakub väga tõhusat meetodit materjalide dispergeerimiseks mikro- ja nanoskaalal.

Kuidas sonikeerimine parandab PCM-i koostist

Sonikeerimine põhineb akustilise kavitatsiooni nähtusel, mis tekib siis, kui suure intensiivsusega ultrahelilained levivad läbi vedeliku. Need lained tekitavad mikroskoopilisi mulle, mis kiiresti kokku kukuvad ja loovad lokaalseid tsoone, kus valitsevad äärmuslik temperatuur, rõhk ja nihkejõud.
See protsess tekitab intensiivsed segunemistingimused, mida traditsioonilise mehaanilise segamisega saavutada ei õnnestu. Seetõttu suudab ultraheli töötlus (sonikeerimine) lõhkuda osakeste aglomeraate, vähendada osakeste suurust ja jaotada lisandid ühtlaselt kogu PCM-maatriksis.
PCM-dispersioonide eksperimentaalsed uuringud näitavad, et ultraheliga segamine annab oluliselt väiksemaid agregaate ja homogeensemaid segusid kui magnetsegamine, mille tulemuseks on parem stabiilsus ja korratavus.
Need parandused mõjutavad otseselt termilist jõudlust, sest homogeenne dispersioon tagab, et faasimuutus toimub kogu materjalis ühtlaselt.

Miks ultraheli töötlus parandab PCM-i stabiilsust

Uuringud näitavad, et segamismeetodil on PCM-i jõudluses otsustav roll.
Näiteks soolahüdraat-PCM-dispersioonidega tehtud katsed näitasid, et ultraheliga segamine parandas homogeensust ja stabiilsust võrreldes traditsiooniliste segamismeetoditega

Ultraheli töötlus parandab PCM-süsteeme mitme mehhanismi kaudu:

1. Väiksem osakeste suurus
   Kavitatsioonijõud lõhuvad suured kristallid või agregaadid peeneks osakesteks.
2. Parem dispersiooni ühtlus
   Ultraheli tagab, et lisandid, näiteks tuumestajad ja paksendajad, jaotuvad ühtlaselt.
3. Väiksem settimine
   Peenemad osakesed püsivad pikemalt hõljumas.
4. Parem termiline jõudlus
   Homogeensed süsteemid näitavad ühtlasemaid faasisiirdeid ja suuremat efektiivset soojussalvestust.

Nanoparandatud faasimuutusmaterjalid: soojusjuhtivuse parandamine

Üks põnevamaid arenguid PCM-uuringutes on nanoparandatud faasimuutusmaterjalide (NePCM) esilekerkimine. Nendes süsteemides viiakse nanoosakesed PCM-maatriksisse, et parandada soojusjuhtivust ja kiirendada soojusülekannet.
Nanomaterjalid, näiteks grafeen, süsinik-nanotorud ja metalloksiidid, võivad soojusülekande kiirust märkimisväärselt parandada. Nanoosakesed kipuvad aga osakeste vaheliste tugevate tõmbejõudude tõttu aglomereeruma. Kui need klombid ei ole korralikult dispergeeritud, ei ole oodatud soojusjuhtivuse paranemist võimalik saavutada.
Ultraheli töötlusel on siin otsustav roll. Sonikeerimisel tekkivad intensiivsed kavitatsioonijõud lõhuvad nanoosakeste klombid ja jaotavad need ühtlaselt kogu PCM-is. Saadud nanoparandatud PCM-id neelavad ja eraldavad soojust kiiremini, mistõttu on need soojusenergia salvestamisel palju tõhusamad.

Nanokapseldamine: lekke ennetamine ja vastupidavuse parandamine

Veel üks oluline uuendus, mida ultraheli töötlus võimaldab, on faasimuutusmaterjalide nanokapseldamine.
Nanokapseldatud PCM-ides on faasimuutusmaterjal ümbritsetud kaitsva kestaga – sageli polümeeridest, ränidioksiidist või hübriidmaterjalidest. See kest ennetab lekkimist PCM-i sulamisel ja kaitseb materjali keemilise lagunemise eest.
Sonikeerimine võimaldab toota äärmiselt peeneid emulsioone, mis on mikro- ja nanokapslite aluseks. Protsess tekitab ühtlaseid piisku, millest hiljem moodustub PCM-i tuum, samal ajal kui kestamaterjalid polümeriseeruvad või kondenseeruvad nende ümber. Saadud kapslid näitavad kitsast suurusjaotust ja paremat mehaanilist stabiilsust.
Sellised kapseldatud PCM-id leiavad üha enam kasutust kaasaegsetes rakendustes, sealhulgas nutitekstiilides, pinnakatetes, elektroonika jahutuses ja soojusjuhtimissüsteemides.

Parafiinvaha kui PCM: ultraheli töötluse praktiline näide

Orgaanilised faasimuutusmaterjalid, näiteks parafiinvaha, on laialdaselt kasutusel tänu oma keemilisele stabiilsusele, mittekorrodeerivusele ja soodsatele sulamistemperatuuridele. Parafiinipõhiseid PCM-e kasutatakse tavaliselt ehitusmaterjalides, päikesesoojussüsteemides ja soojusreguleerimise tehnoloogiates.
Samas on parafiinvahal suhteliselt madal soojusjuhtivus ning emulsioonidesse või komposiitmaterjalidesse viimisel võib see moodustada suuri piisku või agregaate. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) pakub nendele väljakutsetele võimsat lahendust.
Kui parafiinvaha töödeldakse suure võimsusega ultraheliga, lõhuvad kavitatsioonijõud sulatatud vaha äärmiselt peenisteks piiskadeks, luues stabiilseid emulsioone või dispersioone. See võimaldab vaha ühtlast jaotumist kandevedelikus või polümeermaatriksis. Saadud PCM-koostised näitavad paremaid soojusülekande omadusi ja suuremat stabiilsust korduvate faasimuutustsüklite ajal.
Ultraheli töötlust kasutatakse laialdaselt ka parafiini mikrokapslite valmistamiseks, kus sulatatud vaha piisad kapseldatakse polümeerkestadesse. Need kapslid takistavad lekkimist sulamise ajal ja võimaldavad parafiin-PCM-e integreerida ehitusmaterjalidesse, pinnakatetesse või tekstiilidesse.

Miks Hielscheri sonikaatorid sobivad PCM-ide töötlemiseks ideaalselt

Suure võimsusega ultraheliseadmed on hädavajalikud, et saavutada täiustatud PCM-koostiste jaoks nõutav dispersiooni kvaliteet. Hielscher Ultrasonics on kujunenud juhtivaks ultraheliprotsessorite tarnijaks nii teaduslaboritele kui ka tööstuslikule tootmisele.
Hielscheri süsteemid võimaldavad täpselt reguleerida ultraheli amplituudi, sisendvõimsust ja töötlusaega, mis lubab teadlastel PCM-koostisi suurepärase korratavusega peenhäälestada. Nende ultraheliprotsessorid tekitavad tugevaid ja ühtlaseid kavitatsiooniväljasid, mis tagavad osakeste suuruse efektiivse vähendamise, deaglomeratsiooni ja homogeniseerimise.
Teine Hielscheri tehnoloogia oluline eelis on skaleeritavus. Laborisüsteemides välja töötatud protsesse saab otse üle viia tööstuslikesse ultrahelireaktoritesse, mis võimaldab tootjatel liikuda väikesemahulistelt katsetelt kommertstootmisele ilma aluseks olevaid protsessiparameetreid muutmata.
Hielscheri ultraheliprotsessoreid on teadusuuringutes juba kasutatud PCM-dispersioonide valmistamiseks, mis näitab nende tõhusust homogeensete segude saamisel ja osakeste agregaatide vähendamisel.

Edusammud PCM-ide arendamisel ultraheli töötluse abil

Energiasüsteemide arenedes ja tõhusa soojussalvestuse nõudluse kasvades hakkavad täiustatud faasimuutusmaterjalid mängima üha olulisemat rolli. Nende materjalide toimivus sõltub mitte ainult keemilisest koostisest, vaid ka nende valmistamiseks ja töötlemiseks kasutatavatest meetoditest.
Ultraheli töötlus on võimas ja mitmekülgne vahend PCM-süsteemide mikrostruktuuri kontrollimiseks. Võimaldades ühtlaseid dispersioone, nanoosakeste integreerimist ja nanokapseldamist, aitab sonikeerimine ületada paljusid piiranguid, mis on traditsiooniliselt PCM-tehnoloogiate arengut takistanud.

Ultraheli töötlusest on kiiresti saamas järgmise põlvkonna PCM-ide võtmetähtsusega võimaldav tehnoloogia, sealhulgas:

• Nanoparandatud PCM-id
• Nanokapseldatud PCM-id
• Kõrge juhtivusega PCM-komposiidid
• Stabiilsed PCM-emulsioonid ja -dispersioonid

Hielscheri suure jõudlusega tööstuslikud sonikaatorid võimaldavad lineaarset skaleerimist suuremahulisele tootmisele – muutes sellega faasimuutusmaterjalid paljulubavatest laborimaterjalidest töökindlateks lahendusteks tänapäevase energiasalvestuse ja soojusjuhtimise jaoks.

Kirjandus / viited

• 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.