אולטרסאונד מקדם חומרים בעלי שינוי פאזה לאגירת אנרגיה
, קתרין היילשר, פורסם ב-Hielscher News
עם הגידול בביקוש העולמי לניהול אנרגיה יעיל, חומרים בעלי שינוי פאזה (PCM) זוכים לתשומת לב כפתרון יעיל לאגירת אנרגיה תרמית. חומרים אלה יכולים לספוג ולשחרר כמויות גדולות של חום במהלך התכה והתמצקות, מה שהופך אותם ליעילים ליישומים שונים, החל מבקרת אקלים בבניינים ועד לקירור סוללות ומערכות אנרגיה מתחדשת.
עם זאת, למרות תכונותיהם המבטיחות, PCM רבים נתקלים בקשיים מעשיים המגבילים את השימוש הנרחב בהם. חוקרים ומהנדסים פונים יותר ויותר לעיבוד קולי בעוצמה גבוהה. – ידוע גם בשם סוניקציה – כדי להתגבר על מכשולים אלה ולממש את מלוא הפוטנציאל של חומרים המשתנים פאזה.
עיבוד קולי מאפשר יצירת PCM משופרים וננו-מוקפאים, משפר את יציבות הפיזור ומסייע בייעול הביצועים התרמיים. כתוצאה מכך, סוניקציה מתגלה כאחת הטכנולוגיות היעילות ביותר לייצור מערכות PCM מתקדמות.
מערבל אולטראסוני UIP2000hdT לעיבוד PCM
מדוע חומרים בעלי שינוי פאזה חשובים לאחסון אנרגיה
חומרים בעלי שינוי פאזה אוגרים אנרגיה בצורת חום סמוי, הנספג במהלך ההיתוך ומשתחרר כאשר החומר מתקשה. בניגוד לחומרים קונבנציונליים האוגרים חום באמצעות שינוי טמפרטורה בלבד, חומרים בעלי שינוי פאזה יכולים לאגור ולשחרר כמויות גדולות של אנרגיה בטמפרטורות כמעט קבועות.
תכונה זו הופכת אותם לאטרקטיביים ביותר עבור מערכות ניהול תרמי. בבניינים, PCM יכולים לווסת את הטמפרטורה הפנימית על ידי ספיגת עודף החום במהלך היום ושחרורו כאשר הטמפרטורות יורדות. במערכות אנרגיה מתחדשת, הם מסייעים באגירת אנרגיה תרמית ממקורות סולאריים. הם משמשים גם יותר ויותר בקירור אלקטרוניקה, ניהול תרמי של סוללות ותחבורה מבוקרת טמפרטורה.
מלחים הידרטים וחומרים אורגניים הם בין חומרי PCM הנחקרים ביותר. לדוגמה, מלח גלאובר (נתרן סולפט דקהידראט) עורר עניין רב בשל האנתלפיה הגבוהה של התכה וטמפרטורת מעבר פאזה מתאימה. מאפיינים אלה מאפשרים לו לאגור כמויות משמעותיות של אנרגיה תרמית ביעילות.
עם זאת, מערכות PCM רבות סובלות מבעיות יציבות שיש לטפל בהן לפני שניתן יהיה לאמץ אותן באופן נרחב.
מפזר אולטראסוני UIP6000hdT לייצור תעשייתי של חומרים לשינוי פאזה ונוזלי העברת חום.
האתגרים המתמשכים של PCM קונבנציונליים
אמנם חומרים בעלי שינוי פאזה יכולים לאגור כמויות גדולות של אנרגיה, אך ביצועיהם המעשיים תלויים לעתים קרובות במידת היציבות של החומר במהלך מחזורי חימום וקירור חוזרים ונשנים. חומרים רבים בעלי שינוי פאזה סובלים מהפרדת פאזות, קירור יתר ויציבות פיזור ירודה, אשר כולם עלולים לפגוע בביצועים התרמיים לאורך זמן.
במערכות של מלח-הידרט כגון מלח גלובר, בעיות אלה בולטות במיוחד. הפרדת שלבים עלולה להתרחש כאשר רכיבים שונים נפרדים במהלך ההיתוך, בעוד שקירור יתר עלול למנוע מהחומר להתגבש בטמפרטורה הצפויה. הדבר מעכב את שחרור החום ומפחית את יעילות המערכת.
בעיה נפוצה נוספת היא היווצרות אגרגטים כאשר תוספים או ננו-חלקיקים משולבים בתרכובות PCM. שיטות ערבוב קונבנציונליות לרוב אינן מצליחות לפזר את החלקיקים באופן אחיד, מה שמביא לפיזור לא יציב ולהתנהגות תרמית לא עקבית.
כדי להתמודד עם מגבלות אלה, חוקרים מסתמכים יותר ויותר על עיבוד קולי, המציע שיטה יעילה ביותר לפיזור חומרים בקנה מידה מיקרו וננו.
כיצד סוניקציה משפרת את ניסוח ה-PCM
סוניקציה מבוססת על תופעת הקוויטציה האקוסטית, המתרחשת כאשר גלי קול בעוצמה גבוהה מתפשטים בנוזל. גלים אלה יוצרים בועות מיקרוסקופיות המתמוטטות במהירות, ויוצרות אזורים מקומיים של טמפרטורה, לחץ וכוחות גזירה קיצוניים.
תהליך זה יוצר תנאי ערבוב אינטנסיביים שלא ניתן להשיג באמצעות ערבוב מכני מסורתי. כתוצאה מכך, סוניקציה יכולה לפרק אגרגטים של חלקיקים, להפחית את גודל החלקיקים ולהפיץ תוספים באופן אחיד בכל מטריצת ה-PCM.
מחקר ניסיוני על פיזור PCM מראה כי ערבוב קולי מייצר אגרגטים קטנים משמעותית ותערובות הומוגניות יותר מאשר ערבוב מגנטי, מה שמביא ליציבות וליכולת שחזור משופרות.
שיפורים אלה משפיעים באופן ישיר על הביצועים התרמיים, מכיוון שפיזור הומוגני מבטיח ששינוי הפאזה יתרחש באופן עקבי בכל החומר.
מדוע סוניקציה משפרת את יציבות ה-PCM
מחקרים מראים כי מתודולוגיית הערבוב ממלאת תפקיד מכריע בביצועי PCM.
לדוגמה, ניסויים עם תמיסות PCM של מלח-הידראט הוכיחו כי ערבוב קולי שיפר את ההומוגניות והיציבות בהשוואה לשיטות ערבוב מסורתיות.
עיבוד קולי משפר את מערכות PCM באמצעות מספר מנגנונים:
- גודל חלקיקים קטן יותר
כוחות קוויטציה מפרקים גבישים גדולים או אגרגטים לחלקיקים עדינים. - אחידות פיזור משופרת
אולטרסאונד מבטיח פיזור אחיד של תוספים כגון חומרים מזרזים ומסמיכים. - הפחתת השקעת משקעים
חלקיקים עדינים יותר נשארים מרחפים זמן רב יותר. - ביצועים תרמיים משופרים
מערכות הומוגניות מציגות מעברי פאזה עקביים יותר ואגירת חום אפקטיבית גבוהה יותר.
סולקטור עליון ספסל UIP1000hdT לפיזור PCM
חומרים משופרים בננו-טכנולוגיה לשינוי פאזה: שיפור המוליכות התרמית
אחת ההתפתחויות המרתקות ביותר במחקר בתחום PCM היא הופעתם של חומרים משני פאזה משופרים בננו-טכנולוגיה (NePCMs). במערכות אלה, ננו-חלקיקים משולבים במטריצת PCM כדי לשפר את המוליכות התרמית ולהאיץ את העברת החום.
ננו-חומרים כגון גרפן, ננו-צינורות פחמן ותחמוצות מתכת יכולים לשפר באופן משמעותי את קצב העברת החום. עם זאת, ננו-חלקיקים נוטים להתאגד בשל כוחות משיכה חזקים בין החלקיקים. אם אשכולות אלה אינם מפוזרים כראוי, לא ניתן להשיג את השיפורים הצפויים במוליכות התרמית.
עיבוד קולי ממלא תפקיד מכריע כאן. כוחות הקוויטציה העזים הנוצרים על ידי הסוניקציה מפרקים את אשכולות הננו-חלקיקים ומפיצים אותם באופן אחיד בכל ה-PCM. ה-PCM המשופר בננו-חלקיקים המתקבלים מציגים ספיגה ושחרור חום מהירים יותר, מה שהופך אותם ליעילים הרבה יותר ליישומים של אחסון אנרגיה תרמית.
ננו-אנקפסולציה: מניעת דליפות ושיפור העמידות
חידוש חשוב נוסף שהפך אפשרי הודות לעיבוד קולי הוא ננו-אנקפסולציה של חומרים המשתנים פאזה.
ב-PCM ננו-מוקפסלים, חומר שינוי הפאזה מוקף במעטפת מגן – העשויה לרוב מפולימרים, סיליקה או חומרים היברידיים. מעטפת זו מונעת דליפה כאשר ה-PCM נמס ומגנה על החומר מפני התכלות כימית.
סוניקציה מאפשרת ייצור תחליבים עדינים ביותר המשמשים כבסיס למיקרו-קפסולות וננו-קפסולות. התהליך מייצר טיפות אחידות המהוות מאוחר יותר את ליבת ה-PCM, בעוד חומרי המעטפת מתמרמרים או מתעבים סביבן. הקפסולות המתקבלות מציגות התפלגות גודל צרה ויציבות מכנית משופרת.
PCM מוקפאים מסוג זה משמשים יותר ויותר ביישומים מתקדמים, כולל טקסטיל חכם, ציפויים, קירור אלקטרוניקה ומערכות ניהול תרמי.
שעוות פרפין כ-PCM: דוגמה מעשית לשימוש באולטרסאונד
חומרים אורגניים לשינוי פאזה, כגון שעוות פרפין, נמצאים בשימוש נרחב בשל יציבותם הכימית, היותם שאינם קורוזיביים וטמפרטורות ההתכה הנוחות שלהם. PCM על בסיס פרפין משמשים בדרך כלל בחומרי בנייה, במערכות תרמו-סולריות ובטכנולוגיות לוויסות תרמי.
עם זאת, שעוות פרפין סובלת גם ממוליכות תרמית נמוכה יחסית ועלולה ליצור טיפות גדולות או אגרגטים כאשר היא משולבת בתמיסות או בחומרים מרוכבים. סוניקציה מציעה פתרון יעיל לאתגרים אלה.
כאשר שעוות פרפין מעובדת באמצעות אולטרסאונד בעוצמה גבוהה, כוחות קוויטציה מפרקים את השעווה המותכת לטיפות זעירות ביותר, ויוצרים תחליבים או פיזור יציבים. כך ניתן לפזר את השעווה באופן אחיד בתוך נוזל נשא או מטריצת פולימר. התרכובות PCM המתקבלות מציגות תכונות העברת חום משופרות ויציבות משופרת במהלך מחזורי שינוי פאזה חוזרים ונשנים.
עיבוד קולי משמש גם באופן נרחב לייצור מיקרו-קפסולות פרפין, שבהן טיפות שעווה מותכת מוקפות בקליפות פולימר. קפסולות אלה מונעות דליפה במהלך ההיתוך ומאפשרות לשלב PCM פרפין בחומרי בנייה, ציפויים או טקסטיל.
מדוע מכשירי הסוניקציה של Hielscher הם אידיאליים לעיבוד PCM
ציוד אולטראסוני בעל עוצמה גבוהה הוא חיוני להשגת איכות הפיזור הנדרשת עבור תרכובות PCM מתקדמות. Hielscher Ultrasonics הפכה לספקית מובילה של מעבדי אולטראסוניקה הן למעבדות מחקר והן לייצור תעשייתי.
מערכות Hielscher מספקות שליטה מדויקת על משרעת הקול, צריכת החשמל וזמן העיבוד, ומאפשרות לחוקרים לכוונן את תרכובות ה-PCM ברמת דיוק יוצאת דופן. מעבדי הקול שלהם מייצרים שדות קוויטציה חזקים ועקביים, המבטיחים הפחתה יעילה של גודל החלקיקים, פירוק גושים והומוגניזציה.
יתרון מרכזי נוסף של טכנולוגיית Hielscher הוא יכולת ההרחבה. תהליכים שפותחו במערכות מעבדה ניתנים להעברה ישירות לכורים אולטראסוניים תעשייתיים, מה שמאפשר ליצרנים לעבור מניסויים בקנה מידה קטן לייצור מסחרי מבלי לשנות את פרמטרי התהליך הבסיסיים.
מעבדי הקול האולטראסוניים של Hielscher כבר שימשו במחקרים מדעיים להכנת תמיסות PCM, והוכיחו את יעילותם בייצור תערובות הומוגניות ובהפחתת צבירים של חלקיקים.
התקדמות בפיתוח PCM באמצעות סוניקציה
עם התפתחות מערכות האנרגיה ועליית הביקוש לאחסון תרמי יעיל, חומרים מתקדמים לשינוי פאזה ימלאו תפקיד חשוב יותר ויותר. ביצועיהם של חומרים אלה תלויים לא רק בהרכבם הכימי, אלא גם בשיטות ההכנה והעיבוד שלהם.
עיבוד קולי מספק כלי רב עוצמה ורב-תכליתי לשליטה במיקרו-מבנה של מערכות PCM. על ידי יצירת פיזור אחיד, שילוב ננו-חלקיקים וננו-אנקפסולציה, הסוניקציה מסייעת להתגבר על רבות מהמגבלות שעיכבו באופן מסורתי את טכנולוגיות ה-PCM.
עיבוד קולי הופך במהירות לטכנולוגיה מרכזית המאפשרת את פיתוחם של PCM מהדור הבא, כולל:
- PCM משופרים בננו
- PCM-ים ננו-מוקפאים
- חומרים מרוכבים PCM בעלי מוליכות גבוהה
- תחליבים ותפזורים יציבים של PCM
הסוניקאטורים התעשייתיים בעלי הביצועים הגבוהים של Hielscher מאפשרים הגדלה ליניארית לייצור בקנה מידה גדול, ובכך הופכים חומרים בעלי שינוי פאזה מחומרים מבטיחים במעבדה לפתרונות אמינים לאחסון אנרגיה מודרני וניהול תרמי.
פיזור ננו עם הסוניקטור מסוג בדיקה UP400ST
חומרים נפוצים לשינוי פאזה, תכונותיהם והשפעותיהם של סוניקציה
| חומר לשינוי פאזה | שימוש אופייני / הערות | יתרונות המושגים באמצעות סוניקציה |
|---|---|---|
| שעוות פרפין (למשל, פרפין RT, פרפין טכני) | PCM אורגני; בשימוש נרחב בחומרי בניין, אריזות תרמיות, קירור אלקטרוניקה. |
סוניקציה יוצרת פיזור/תחליב עדין ויציב של שעווה במים (או שעווה בפולימר), מקטינה את גודל הטיפות, משפר את ההומוגניות, תומך במיקרו/ננו-אנקפסולציה ומאפשר פיזור טוב יותר של חומר המילוי להעברת חום מהירה יותר. |
| חומצות שומן (למשל, חומצה לאורית, מיריסטית, פלמיטית, סטארית) | PCM אורגני; יציבות טובה במחזוריות, משמש בבנייה ובאגירת חום. |
אמולסיפיקציה אולטראסונית משפרת את יציבות השלבים ומפחיתה את ההפרדה; מסייעת בפיזור חומרים המשפרים את המוליכות התרמית. (למשל, תוספי פחמן) באופן אחיד יותר לשיפור קצב הטעינה/פריקה. |
| מלח הידרטים (למשל, סולפט נתרן דקאהידראט / מלח גלובר, CaCl2·6 שעות2O) | חום סמוי גבוה; אטרקטיבי עבור TES אך נוטה להפרדה ולקירור יתר. |
הסוניקציה משפרת את איכות הפיזור ויכולה להפחית את גודל האגרגטים בהשוואה לערבוב קונבנציונלי, מה שתומך בתערובות הומוגניות יותר. במחקר על פיזור מלח גלאובר, נבחר השימוש באולטרסאונד כשיטה יעילה יותר מאשר ערבוב מגנטי להפחתת אגרגטים. ורצף ההכנה השפיעו מאוד על ההומוגניות והיציבות. |
| פוליאתילן גליקול (PEG) (למשל, PEG 600–6000) | PCM אורגני; טווח התכה מתכוונן; משמש בקומפוזיטים ובמערכות מוקפסולות. |
הסוניקציה משפרת את הערבוב במטריצות פולימריות, תומכת ביצירת טיפות PCM אחידות לצורך קפסולציה, ומשפר את פיזור חלקיקי הננו (PCM משופרים בננו) כדי להגביר את המוליכות התרמית היעילה. |
| אלכוהולי סוכר (למשל, אריתריטול, קסיליטול, מניטול) | PCM בטמפרטורה גבוהה יותר; ניצול חום פסולת תעשייתית, אחסון בטמפרטורה גבוהה. |
עיבוד קולי משפר את פירוק הגושים של חומרים נוקליאנטים/מילוי תרמי, משפר את אחידות התמיסות/העיסים, ויכול לתמוך בהתנהגות התגבשות עקבית יותר במערכות שנוסחו (במיוחד בשילוב עם חומרים מזרזים). |
| שמנים/אסטרים על בסיס ביולוגי (למשל, נגזרות שמן דקלים, אסטרים שומניים) | PCM אורגניים מתחדשים; יישומים בבנייה ובאריזה. |
הסוניקציה משפרת את תהליך ההמסה ומייצבת את התפזורת, מה שמאפשר פיזור טיפות עדין. שילוב קל יותר בציפויים/פולימרים, וייצור PCM מרוכב בעל יכולת שחזור גבוהה יותר. |
| PCM אטקטיים (תערובות אורגניות-אורגניות, מלח הידרט) | נקודות התכה מתוכננות; משמשות כאשר נדרשת טמפרטורת מעבר מדויקת. |
ערבוב קולי מאיץ את ההומוגניזציה של תערובות רב-מרכיביות, מפחית את שיפועי ההרכב המקומיים, משפר את פיזור המייצבים/גרעינים, ותומך בהתנהגות שינוי פאזה עקבית לאורך מחזורי הפעולה. |
| PCM מוקפאים (פרפין במיקרו/ננו-קפסולות, הידרטים של מלח) | מניעת נזילות; שילוב קל בבדים, ציפויים, לוחות קיר ונוזלים. |
הסוניקציה מאפשרת יצירת ננו-תחליבים יציבים ופיזור גודל טיפות צר, המתורגמים לגודל קפסולות אחיד יותר. יעילות אנקפסולציה משופרת, הפחתת דליפות ותגובה תרמית צפויה יותר. |
| PCM משופרים בננו (PCM + גרפן/CNT/תחמוצות מתכת) | תוכנן עבור מוליכות תרמית יעילה יותר וחילופי חום מהירים יותר. |
פיזור מונע קוויטציה מפזר חלקיקים ננומטריים בצורה אחידה יותר, ומגדיל את נתיבי העברת החום היעילים. הפחתת הסיכון לשקיעה (עם ניסוח נכון) ושיפור החזרות בין אצוות. |
ספרות / מקורות
- 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.
שאלות נפוצות
מהן היישומים של חומרים המשתנים פאזה?
חומרים המשתנים פאזה (PCM) נמצאים בשימוש נרחב לאגירת אנרגיה תרמית ולוויסות טמפרטורה. יכולתם לספוג ולשחרר כמויות גדולות של חום סמוי במהלך מעברי פאזה הופכת אותם לשימושיים בבקרת אקלים בבניינים, באגירת אנרגיה תרמית סולארית, בהשבת חום מתעשייתי, בניהול תרמי של סוללות ואלקטרוניקה, בהובלה מבוקרת טמפרטורה, בטקסטיל עם ויסות תרמי ובאריזות רפואיות או מזון שבהן יש לשמור על טמפרטורות יציבות.
אילו חומרים בעלי שינוי פאזה משמשים בבנייה ובתעשיית הבנייה?
ביישומים בבנייה, ה-PCM הנפוצים ביותר כוללים שעוות פרפין, חומצות שומן, הידרטים של מלח (כגון סולפט נתרן דקהידראט או הידרטים של כלוריד סידן) ופוליאתילן גליקול (PEG). חומרים אלה משולבים לעתים קרובות בלוחות גבס, לוחות קיר, חומרי בידוד ומרכיבים מרוכבים מבטון. חומרים אורגניים לשינוי פאזה (PCM) כגון פרפין פופולריים במיוחד מכיוון שהם יציבים מבחינה כימית ואינם קורוזיביים, בעוד שהידרטים של מלח מוערכים בזכות יכולת אחסון החום הסמוי הגבוהה שלהם.
אילו חומרים בעלי שינוי פאזה הם בעלי קיבולת אחסון האנרגיה הגבוהה ביותר?
מבין PCM הנפוצים, הידרטים של מלח ו-PCM מתכתיים או אנאורגניים מסוימים מציגים את קיבולת אחסון החום הסמוי הגבוהה ביותר. הידרטים של מלח כגון סולפט נתרן דקהידראט (מלח גלאובר) יכולים לאחסן יותר מ-200–250 kJ/kg של חום סמוי, מה שהופך אותם ליעילים ביותר לאחסון אנרגיה תרמית. כמה סוכרים אלכוהוליים, כגון אריתריטול, מציעים גם הם קיבולת חום סמוי גבוהה מאוד בטמפרטורות שינוי פאזה גבוהות.
האם חומרים המשתנים פאזה משמשים באלקטרוניקה?
כן, חומרים בעלי שינוי פאזה משמשים יותר ויותר בניהול תרמי של מוצרי אלקטרוניקה. PCM משולבים בגופי קירור, סוללות ומודולי קירור כדי לספוג עומסי חום שיא ולמנוע התחממות יתר של רכיבים רגישים. במהלך הפעולה, ה-PCM נמס וסופג את עודף החום, מייצב את טמפרטורת המכשיר ומשפר את האמינות ואת אורך החיים של מערכות אלקטרוניות כגון מעבדים, נוריות LED וסוללות ליתיום-יון.
סידן-הידרוקסיאפטיט מופחת ומפוזר באולטרסאונד
Hielscher Ultrasonics מייצרת הומוגנייזרים קוליים בעלי ביצועים גבוהים מ המעבדה ל גודל תעשייתי.