پیشرفت مواد تغییر فازدهنده برای ذخیره‌سازی انرژی با فراصوت

با افزایش تقاضای جهانی برای مدیریت کارآمد انرژی، مواد تغییر فازدهنده (PCMs) به‌عنوان راهکاری قدرتمند برای ذخیره‌سازی انرژی حرارتی مورد توجه قرار گرفته‌اند. این مواد می‌توانند هنگام ذوب و انجماد، مقادیر زیادی گرما را جذب و آزاد کنند؛ ویژگی‌ای که آن‌ها را برای کاربردهایی از کنترل شرایط دمایی ساختمان تا خنک‌کاری باتری و سامانه‌های انرژی تجدیدپذیر ارزشمند می‌سازد.
بااین‌حال، با وجود خواص امیدبخش، بسیاری از مواد تغییر فازدهنده با چالش‌های عملی روبه‌رو هستند که استفادهٔ گسترده از آن‌ها را محدود می‌کند. پژوهشگران و مهندسان به‌طور فزاینده‌ای به فرآوری فراصوتی پرتوان – که فراصوت‌دهی نیز نامیده می‌شود – روی می‌آورند تا بر این موانع غلبه کنند و از تمام ظرفیت مواد تغییر فازدهنده بهره ببرند.
فرآوری فراصوتی، تولید مواد تغییر فازدهندهٔ تقویت‌شده با نانوذرات و نانوکپسوله‌شده را امکان‌پذیر می‌کند، پایداری پراکنش را بهبود می‌بخشد و به بهینه‌سازی عملکرد حرارتی کمک می‌کند. در نتیجه، فراصوت‌دهی در حال تبدیل‌شدن به یکی از مؤثرترین فناوری‌ها برای تولید سامانه‌های پیشرفتهٔ PCM است.

هموژنایزر فراصوتی UIP2000hdT برای فرآوری مواد تغییر فازدهنده

چرا مواد تغییر فازدهنده برای ذخیره‌سازی انرژی اهمیت دارند

مواد تغییر فازدهنده، انرژی را به‌صورت گرمای نهان ذخیره می‌کنند؛ این گرما هنگام ذوب جذب و هنگام جامدشدن ماده آزاد می‌شود. برخلاف مواد متداول که گرما را صرفاً از طریق تغییر دما ذخیره می‌کنند، مواد تغییر فازدهنده می‌توانند مقادیر زیادی انرژی را در دماهای تقریباً ثابت ذخیره و آزاد کنند.
این ویژگی، آن‌ها را برای سامانه‌های مدیریت حرارتی بسیار جذاب می‌سازد. در ساختمان‌ها، مواد تغییر فازدهنده می‌توانند با جذب گرمای اضافی در طول روز و آزادکردن آن هنگام افت دما، دمای داخل را تنظیم کنند. در سامانه‌های انرژی تجدیدپذیر، این مواد به ذخیره‌سازی انرژی حرارتی حاصل از جمع‌کننده‌های خورشیدی کمک می‌کنند. همچنین، استفاده از آن‌ها در خنک‌کاری تجهیزات الکترونیکی، مدیریت حرارتی باتری و حمل‌ونقل با دمای کنترل‌شده رو به افزایش است.
نمک‌های آب‌پوشیده و مواد آلی از پرمطالعه‌ترین مواد تغییر فازدهنده هستند. برای مثال، نمک گلوبر (سولفات سدیم ده‌آبه) به‌دلیل آنتالپی ذوب بالا و دمای گذار فازی مناسب، توجه چشمگیری را به خود جلب کرده است. این ویژگی‌ها به آن امکان می‌دهند مقادیر قابل‌توجهی انرژی حرارتی را به‌طور کارآمد ذخیره کند.
بااین‌حال، بسیاری از سامانه‌های PCM مشکلاتی در پایداری دارند که باید پیش از به‌کارگیری گسترده برطرف شوند.

چالش‌های مداوم مواد تغییر فازدهندهٔ متداول

اگرچه مواد تغییر فازدهنده می‌توانند مقادیر زیادی انرژی ذخیره کنند، عملکرد عملی آن‌ها اغلب به میزان حفظ پایداری ماده در چرخه‌های مکرر گرمایش و سرمایش بستگی دارد. بسیاری از این مواد دچار جدایش فازی، فوق‌سردشدن و پایداری ضعیف پراکنش هستند که همگی می‌توانند عملکرد حرارتی را به‌مرور زمان کاهش دهند.
در سامانه‌های نمک آب‌پوشیده مانند نمک گلوبر، این مشکلات به‌ویژه بارز هستند. جدایش فازی می‌تواند زمانی رخ دهد که اجزای مختلف هنگام ذوب از یکدیگر جدا شوند، درحالی‌که فوق‌سردشدن ممکن است مانع تبلور ماده در دمای مورد انتظار شود. این امر آزادسازی گرما را به تأخیر می‌اندازد و بازده سامانه را کاهش می‌دهد.
مشکل رایج دیگر، تشکیل تجمعات ذره‌ای هنگام افزودن مواد افزودنی یا نانوذرات به فرمولاسیون‌های PCM است. روش‌های اختلاط متداول اغلب نمی‌توانند ذرات را به‌طور یکنواخت پراکنده کنند و در نتیجه، پراکنش‌های ناپایدار و رفتار حرارتی ناهماهنگ ایجاد می‌شود.
برای رفع این محدودیت‌ها، پژوهشگران به‌طور فزاینده‌ای به فرآوری فراصوتی تکیه می‌کنند؛ روشی بسیار مؤثر برای پراکنده‌سازی مواد در مقیاس‌های میکرو و نانو.
 

فراصوت‌دهی چگونه فرمولاسیون PCM را بهبود می‌بخشد

فراصوت‌دهی بر پدیدهٔ کاویتاسیون آکوستیکی متکی است که هنگام انتشار امواج فراصوتی با شدت بالا در مایع رخ می‌دهد. این امواج، حباب‌های میکروسکوپی ایجاد می‌کنند که به‌سرعت فرومی‌پاشند و نواحی موضعی با دما، فشار و نیروهای برشی بسیار بالا پدید می‌آورند.
این فرآیند شرایط اختلاط شدیدی ایجاد می‌کند که با هم‌زدن مکانیکی سنتی دست‌یافتنی نیست. در نتیجه، فراصوت‌دهی می‌تواند کلوخه‌های ذره‌ای را از هم باز کند، اندازهٔ ذرات را کاهش دهد و افزودنی‌ها را به‌طور یکنواخت در سراسر ماتریس PCM توزیع کند.
پژوهش‌های تجربی دربارهٔ پراکنش‌های PCM نشان می‌دهند که اختلاط فراصوتی در مقایسه با هم‌زدن مغناطیسی، تجمعات ذره‌ای به‌مراتب کوچک‌تر و مخلوط‌های همگن‌تری تولید می‌کند و در نتیجه، پایداری و بازتولیدپذیری را بهبود می‌بخشد.
این بهبودها مستقیماً بر عملکرد حرارتی اثر می‌گذارند، زیرا پراکنش همگن تضمین می‌کند که تغییر فاز در سراسر ماده به‌صورت یکنواخت رخ دهد.

چرا فراصوت‌دهی پایداری PCM را بهبود می‌بخشد

پژوهش‌ها نشان می‌دهند که روش اختلاط نقشی تعیین‌کننده در عملکرد PCM دارد.
برای مثال، آزمایش‌های انجام‌شده روی پراکنش‌های PCM مبتنی بر نمک آب‌پوشیده نشان دادند که اختلاط فراصوتی در مقایسه با روش‌های اختلاط سنتی، همگنی و پایداری را بهبود می‌بخشد

فرآوری فراصوتی از طریق چندین سازوکار، سامانه‌های PCM را بهبود می‌بخشد:

1. اندازهٔ کوچک‌تر ذرات
   نیروهای کاویتاسیون، بلورهای بزرگ یا تجمعات ذره‌ای را به ذرات ریز می‌شکنند.
2. بهبود یکنواختی پراکنش
   فراصوت، توزیع یکنواخت افزودنی‌هایی مانند عوامل هسته‌زا و غلیظ‌کننده‌ها را تضمین می‌کند.
3. کاهش ته‌نشینی
   ذرات ریزتر مدت بیشتری معلق می‌مانند.
4. عملکرد حرارتی بهتر
   سامانه‌های همگن، گذارهای فازی یکنواخت‌تر و ذخیره‌سازی مؤثر گرمای بیشتری دارند.

مواد تغییر فازدهندهٔ تقویت‌شده با نانوذرات: بهبود رسانندگی حرارتی

یکی از هیجان‌انگیزترین پیشرفت‌ها در پژوهش‌های PCM، ظهور مواد تغییر فازدهندهٔ تقویت‌شده با نانوذرات (NePCMs) است. در این سامانه‌ها، نانوذرات به ماتریس PCM افزوده می‌شوند تا رسانندگی حرارتی را افزایش دهند و انتقال حرارت را تسریع کنند.
نانوموادی مانند گرافن، نانولوله‌های کربنی و اکسیدهای فلزی می‌توانند نرخ انتقال حرارت را به‌طور چشمگیری افزایش دهند. بااین‌حال، نانوذرات به‌دلیل نیروهای جاذبهٔ قوی بین ذرات، تمایل به کلوخه‌شدن دارند. اگر این خوشه‌ها به‌درستی پراکنده نشوند، بهبود مورد انتظار در رسانندگی حرارتی حاصل نخواهد شد.
فرآوری فراصوتی در اینجا نقشی تعیین‌کننده دارد. نیروهای شدید کاویتاسیون ناشی از فراصوت‌دهی، خوشه‌های نانوذرات را از هم باز می‌کنند و آن‌ها را به‌طور یکنواخت در سراسر PCM توزیع می‌کنند. مواد تغییر فازدهندهٔ تقویت‌شده با نانوذرات که به این ترتیب به دست می‌آیند، گرما را سریع‌تر جذب و آزاد می‌کنند و ازاین‌رو برای کاربردهای ذخیره‌سازی انرژی حرارتی بسیار کارآمدتر هستند.

نانوکپسوله‌سازی: جلوگیری از نشت و بهبود دوام

نوآوری مهم دیگری که فرآوری فراصوتی امکان‌پذیر کرده است، نانوکپسوله‌سازی مواد تغییر فازدهنده است.
در مواد تغییر فازدهندهٔ نانوکپسوله‌شده، مادهٔ تغییر فازدهنده درون پوسته‌ای محافظ محصور می‌شود – پوسته‌ای که اغلب از پلیمرها، سیلیکا یا مواد هیبریدی ساخته شده است. این پوسته هنگام ذوب PCM از نشت جلوگیری می‌کند و ماده را در برابر تخریب شیمیایی محافظت می‌کند.
فراصوت‌دهی، تولید امولسیون‌های بسیار ریزی را امکان‌پذیر می‌کند که مبنای ساخت میکروکپسول‌ها و نانوکپسول‌ها هستند. این فرآیند، قطرات یکنواختی تولید می‌کند که بعداً هستهٔ PCM را تشکیل می‌دهند، درحالی‌که مواد پوسته در اطراف آن‌ها پلیمریزه می‌شوند یا واکنش تراکمی انجام می‌دهند. کپسول‌های حاصل دارای توزیع اندازهٔ باریک و پایداری مکانیکی بهبودیافته هستند.
این مواد تغییر فازدهندهٔ کپسوله‌شده به‌طور فزاینده‌ای در کاربردهای پیشرفته، از جمله منسوجات هوشمند، پوشش‌ها، خنک‌کاری تجهیزات الکترونیکی و سامانه‌های مدیریت حرارتی استفاده می‌شوند.

موم پارافین به‌عنوان PCM: نمونه‌ای عملی از فراصوت‌دهی

مواد تغییر فازدهندهٔ آلی مانند موم پارافین به‌دلیل پایداری شیمیایی، ماهیت غیرخورنده و دماهای ذوب مطلوب، به‌طور گسترده استفاده می‌شوند. مواد تغییر فازدهندهٔ مبتنی بر پارافین معمولاً در مصالح ساختمانی، سامانه‌های حرارتی خورشیدی و فناوری‌های تنظیم دما به کار می‌روند.
بااین‌حال، موم پارافین نیز رسانندگی حرارتی نسبتاً پایینی دارد و هنگام افزودن به امولسیون‌ها یا مواد کامپوزیتی ممکن است قطرات بزرگ یا تجمعات ذره‌ای تشکیل دهد. فراصوت‌دهی راهکاری قدرتمند برای این چالش‌ها فراهم می‌کند.
هنگامی که موم پارافین با فراصوت پرتوان فرآوری می‌شود، نیروهای کاویتاسیون، موم مذاب را به قطرات بسیار ریز تقسیم می‌کنند و امولسیون‌ها یا پراکنش‌های پایدار ایجاد می‌کنند. این امر امکان توزیع یکنواخت موم در یک سیال حامل یا ماتریس پلیمری را فراهم می‌کند. فرمولاسیون‌های PCM حاصل، خواص انتقال حرارت بهتر و پایداری بیشتری در چرخه‌های مکرر تغییر فاز دارند.
فرآوری فراصوتی همچنین به‌طور گسترده برای تولید میکروکپسول‌های پارافین استفاده می‌شود که در آن‌ها قطرات موم مذاب درون پوسته‌های پلیمری کپسوله می‌شوند. این کپسول‌ها هنگام ذوب از نشت جلوگیری می‌کنند و امکان ادغام مواد تغییر فازدهندهٔ پارافینی در مصالح ساختمانی، پوشش‌ها یا منسوجات را فراهم می‌سازند.

چرا سونیکاتورهای Hielscher برای فرآوری PCM ایدئال هستند

تجهیزات فراصوتی پرتوان برای دستیابی به کیفیت پراکنش مورد نیاز فرمولاسیون‌های پیشرفتهٔ PCM ضروری هستند. Hielscher Ultrasonics به یکی از تأمین‌کنندگان پیشروِ پردازشگرهای فراصوتی برای آزمایشگاه‌های پژوهشی و تولید صنعتی تبدیل شده است.
سامانه‌های Hielscher امکان کنترل دقیق دامنهٔ فراصوت، توان ورودی و زمان فرآوری را فراهم می‌کنند و به پژوهشگران اجازه می‌دهند فرمولاسیون‌های PCM را با بازتولیدپذیری فوق‌العاده به‌دقت تنظیم کنند. پردازشگرهای فراصوتی این شرکت میدان‌های کاویتاسیون قوی و یکنواخت ایجاد می‌کنند که کاهش کارآمد اندازهٔ ذرات، کلوخه‌زدایی و همگن‌سازی را تضمین می‌کند.
مزیت کلیدی دیگر فناوری Hielscher، قابلیت افزایش مقیاس است. فرآیندهای توسعه‌یافته در سامانه‌های آزمایشگاهی را می‌توان مستقیماً به راکتورهای فراصوتی صنعتی منتقل کرد و به تولیدکنندگان امکان داد بدون تغییر پارامترهای بنیادی فرآیند، از آزمایش‌های مقیاس کوچک به تولید تجاری برسند.
پردازشگرهای فراصوتی Hielscher پیش‌تر در مطالعات علمی برای تهیهٔ پراکنش‌های PCM به کار رفته‌اند و اثربخشی خود را در تولید مخلوط‌های همگن و کاهش تجمعات ذره‌ای نشان داده‌اند.

پیشرفت در توسعهٔ PCM با فراصوت‌دهی

با تحول سامانه‌های انرژی و افزایش تقاضا برای ذخیره‌سازی کارآمد حرارت، مواد تغییر فازدهندهٔ پیشرفته نقشی روزافزون خواهند داشت. عملکرد این مواد نه‌تنها به ترکیب شیمیایی آن‌ها، بلکه به روش‌های مورد استفاده برای تهیه و فرآوری آن‌ها نیز بستگی دارد.
فرآوری فراصوتی ابزاری قدرتمند و چندمنظوره برای کنترل ریزساختار سامانه‌های PCM فراهم می‌کند. فراصوت‌دهی با امکان‌پذیرکردن پراکنش‌های یکنواخت، ادغام نانوذرات و نانوکپسوله‌سازی، به غلبه بر بسیاری از محدودیت‌هایی کمک می‌کند که همواره مانع پیشرفت فناوری‌های PCM بوده‌اند.

فرآوری فراصوتی به‌سرعت در حال تبدیل‌شدن به فناوری کلیدی برای تحقق نسل بعدی مواد تغییر فازدهنده است، از جمله:

• مواد تغییر فازدهندهٔ تقویت‌شده با نانوذرات
• مواد تغییر فازدهندهٔ نانوکپسوله‌شده
• کامپوزیت‌های PCM با رسانندگی حرارتی بالا
• امولسیون‌ها و پراکنش‌های پایدار PCM

سونیکاتورهای پربازده و صنعتی Hielscher امکان افزایش مقیاس خطی تا تولید در مقیاس بزرگ را فراهم می‌کنند – و به این ترتیب، مواد تغییر فازدهنده را از مواد آزمایشگاهی امیدبخش به راهکارهایی قابل‌اعتماد برای ذخیره‌سازی انرژی و مدیریت حرارتی مدرن تبدیل می‌کنند.

منابع علمی / مراجع

• 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.