अल्ट्रासाउंड से ऊर्जा भंडारण के लिए प्रावस्था-परिवर्तन सामग्रियों का विकास

जैसे-जैसे कुशल ऊर्जा प्रबंधन की वैश्विक मांग बढ़ रही है, प्रावस्था-परिवर्तन सामग्रियाँ (PCMs) ऊष्मीय ऊर्जा भंडारण के एक प्रभावशाली समाधान के रूप में ध्यान आकर्षित कर रही हैं। ये सामग्रियाँ पिघलने और ठोस बनने के दौरान बड़ी मात्रा में ऊष्मा अवशोषित और मुक्त कर सकती हैं, जिससे ये भवनों के आंतरिक वातावरण के नियंत्रण से लेकर बैटरियों को ठंडा करने और नवीकरणीय ऊर्जा प्रणालियों तक के अनुप्रयोगों के लिए उपयोगी बनती हैं।
हालाँकि, अपने आशाजनक गुणों के बावजूद, कई PCMs को ऐसी व्यावहारिक चुनौतियों का सामना करना पड़ता है जो उनके व्यापक उपयोग को सीमित करती हैं। इन बाधाओं को दूर करने और प्रावस्था-परिवर्तन सामग्रियों की पूरी क्षमता का उपयोग करने के लिए शोधकर्ता और इंजीनियर तेज़ी से उच्च-शक्ति वाले अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण – जिसे सोनिकेशन भी कहा जाता है – की ओर रुख कर रहे हैं।
अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण नैनोकणों से संवर्धित और नैनो-संपुटित PCMs का निर्माण संभव बनाता है, परिक्षेपण की स्थिरता में सुधार करता है और ऊष्मीय प्रदर्शन को अनुकूलित करने में मदद करता है। परिणामस्वरूप, सोनिकेशन उन्नत PCM प्रणालियों के उत्पादन के लिए सबसे प्रभावी प्रौद्योगिकियों में से एक के रूप में उभर रहा है।

PCMs के प्रसंस्करण के लिए अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र UIP2000hdT

ऊर्जा भंडारण के लिए प्रावस्था-परिवर्तन सामग्रियाँ क्यों महत्वपूर्ण हैं

प्रावस्था-परिवर्तन सामग्रियाँ गुप्त ऊष्मा के रूप में ऊर्जा संचित करती हैं, जो पिघलने के दौरान अवशोषित होती है और सामग्री के ठोस बनने पर मुक्त होती है। केवल तापमान परिवर्तन के माध्यम से ऊष्मा संचित करने वाली पारंपरिक सामग्रियों के विपरीत, PCMs लगभग स्थिर तापमान पर बड़ी मात्रा में ऊर्जा संचित और मुक्त कर सकती हैं।
यह गुण इन्हें ऊष्मीय प्रबंधन प्रणालियों के लिए अत्यंत आकर्षक बनाता है। भवनों में, PCMs दिन के दौरान अतिरिक्त ऊष्मा अवशोषित करके और तापमान गिरने पर उसे मुक्त करके आंतरिक तापमान को नियंत्रित कर सकती हैं। नवीकरणीय ऊर्जा प्रणालियों में, ये सौर संग्राहकों से प्राप्त ऊष्मीय ऊर्जा को संचित करने में मदद करती हैं। इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को ठंडा करने, बैटरियों के ऊष्मीय प्रबंधन और तापमान-नियंत्रित परिवहन में भी इनका उपयोग बढ़ रहा है।
लवण हाइड्रेट और कार्बनिक सामग्रियाँ सबसे व्यापक रूप से अध्ययन की गई PCMs में शामिल हैं। उदाहरण के लिए, ग्लॉबर लवण (सोडियम सल्फेट डेकाहाइड्रेट) ने अपनी उच्च गलन एन्थैल्पी और उपयुक्त प्रावस्था संक्रमण तापमान के कारण काफ़ी रुचि आकर्षित की है। ये विशेषताएँ इसे कुशलतापूर्वक पर्याप्त मात्रा में ऊष्मीय ऊर्जा संचित करने में सक्षम बनाती हैं।
फिर भी, कई PCM प्रणालियों में स्थिरता संबंधी समस्याएँ दिखाई देती हैं, जिन्हें इनके व्यापक उपयोग से पहले हल करना आवश्यक है।

पारंपरिक PCMs की निरंतर बनी रहने वाली चुनौतियाँ

हालाँकि प्रावस्था-परिवर्तन सामग्रियाँ बड़ी मात्रा में ऊर्जा संचित कर सकती हैं, उनका व्यावहारिक प्रदर्शन अक्सर इस बात पर निर्भर करता है कि बार-बार गर्म करने और ठंडा करने के चक्रों के दौरान सामग्री कितनी स्थिर बनी रहती है। कई PCMs में प्रावस्था पृथक्करण, अतिशीतलन और परिक्षेपण की कम स्थिरता जैसी समस्याएँ होती हैं, जो समय के साथ ऊष्मीय प्रदर्शन को कम कर सकती हैं।
ग्लॉबर लवण जैसी लवण हाइड्रेट प्रणालियों में ये समस्याएँ विशेष रूप से स्पष्ट होती हैं। पिघलने के दौरान विभिन्न घटकों के अलग हो जाने पर प्रावस्था पृथक्करण हो सकता है, जबकि अतिशीतलन सामग्री को अपेक्षित तापमान पर क्रिस्टलीकृत होने से रोक सकता है। इससे ऊष्मा मुक्त होने में देरी होती है और प्रणाली की दक्षता घटती है।
एक अन्य सामान्य समस्या तब समुच्चयों का बनना है, जब PCM फ़ॉर्मूलेशनों में योजक या नैनोकण शामिल किए जाते हैं। पारंपरिक मिश्रण विधियाँ अक्सर कणों को एकसमान रूप से परिक्षेपित करने में विफल रहती हैं, जिसके परिणामस्वरूप अस्थिर परिक्षेपण और असंगत ऊष्मीय व्यवहार उत्पन्न होते हैं।
इन सीमाओं को दूर करने के लिए शोधकर्ता अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण पर अधिकाधिक निर्भर हो रहे हैं, जो सूक्ष्म और नैनो स्तर पर सामग्रियों को परिक्षेपित करने की एक अत्यंत प्रभावी विधि प्रदान करता है।
 

सोनिकेशन PCM फ़ॉर्मूलेशन को कैसे बेहतर बनाता है

सोनिकेशन ध्वनिक कैविटेशन की परिघटना पर आधारित है, जो तब होती है जब उच्च-तीव्रता वाली अल्ट्रासोनिक तरंगें किसी द्रव में संचरित होती हैं। ये तरंगें सूक्ष्म बुलबुले उत्पन्न करती हैं, जो तेजी से ढहते हैं और अत्यधिक तापमान, दबाव तथा अपरूपण बलों वाले स्थानीय क्षेत्र बनाते हैं।
यह प्रक्रिया तीव्र मिश्रण की ऐसी परिस्थितियाँ उत्पन्न करती है जिन्हें पारंपरिक यांत्रिक विलोडन से प्राप्त नहीं किया जा सकता। परिणामस्वरूप, सोनिकेशन कणों के गुच्छों को तोड़ सकता है, कणों का आकार घटा सकता है और योजकों को पूरे PCM मैट्रिक्स में समान रूप से वितरित कर सकता है।
PCM परिक्षेपणों पर प्रायोगिक अनुसंधान दर्शाता है कि अल्ट्रासोनिक मिश्रण से चुंबकीय विलोडन की तुलना में काफी छोटे समुच्चय और अधिक समांगी मिश्रण बनते हैं, जिससे स्थिरता और पुनरुत्पादकता में सुधार होता है।
ये सुधार सीधे तापीय प्रदर्शन को प्रभावित करते हैं, क्योंकि समांगी परिक्षेपण यह सुनिश्चित करता है कि पूरे पदार्थ में प्रावस्था परिवर्तन एकसमान ढंग से हो।

सोनिकेशन PCM की स्थिरता क्यों सुधारता है

अनुसंधान दर्शाता है कि मिश्रण की पद्धति PCM के प्रदर्शन में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।
उदाहरण के लिए, लवण-हाइड्रेट PCM परिक्षेपणों पर किए गए प्रयोगों ने दर्शाया कि अल्ट्रासोनिक मिश्रण ने पारंपरिक मिश्रण विधियों की तुलना में समांगता और स्थिरता में सुधार किया

अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण कई क्रियाविधियों के माध्यम से PCM प्रणालियों में सुधार करता है:

1. कणों का छोटा आकार
   कैविटेशन बल बड़े क्रिस्टलों या समुच्चयों को बारीक कणों में तोड़ते हैं।
2. परिक्षेपण की एकरूपता में सुधार
   अल्ट्रासाउंड सुनिश्चित करता है कि नाभिकन कारकों और गाढ़ापन बढ़ाने वाले पदार्थों जैसे योजक समान रूप से वितरित हों।
3. कम अवसादन
   अधिक बारीक कण अधिक समय तक निलंबित रहते हैं।
4. बेहतर तापीय प्रदर्शन
   समांगी प्रणालियाँ अधिक एकसमान प्रावस्था संक्रमण और अधिक प्रभावी ऊष्मा भंडारण प्रदर्शित करती हैं।

नैनो-संवर्धित प्रावस्था-परिवर्तन पदार्थ: तापीय चालकता में सुधार

PCM अनुसंधान के सबसे रोमांचक विकासों में से एक नैनो-संवर्धित प्रावस्था-परिवर्तन पदार्थों (NePCMs) का उदय है। इन प्रणालियों में तापीय चालकता बढ़ाने और ऊष्मा अंतरण को तेज करने के लिए नैनोकणों को PCM मैट्रिक्स में सम्मिलित किया जाता है।
ग्रैफीन, कार्बन नैनोट्यूब और धातु ऑक्साइड जैसे नैनोपदार्थ ऊष्मा अंतरण दरों में काफी सुधार कर सकते हैं। हालाँकि, कणों के बीच प्रबल आकर्षण बलों के कारण नैनोकण गुच्छे बनाने की प्रवृत्ति रखते हैं। यदि इन गुच्छों को ठीक से परिक्षेपित नहीं किया जाए, तो तापीय चालकता में अपेक्षित सुधार प्राप्त नहीं किए जा सकते।
यहाँ अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। सोनिकेशन से उत्पन्न तीव्र कैविटेशन बल नैनोकणों के गुच्छों को तोड़ते हैं और उन्हें पूरे PCM में समान रूप से वितरित करते हैं। परिणामी नैनो-संवर्धित PCMs ऊष्मा का अधिक तेजी से अवशोषण और विमोचन करते हैं, जिससे वे तापीय ऊर्जा भंडारण अनुप्रयोगों के लिए कहीं अधिक कुशल बनते हैं।

नैनो-संपुटन: रिसाव की रोकथाम और टिकाऊपन में सुधार

अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण से संभव हुआ एक अन्य महत्वपूर्ण नवाचार प्रावस्था-परिवर्तन पदार्थों का नैनो-संपुटन है।
नैनो-संपुटित PCMs में प्रावस्था-परिवर्तन पदार्थ को एक सुरक्षात्मक आवरण के भीतर बंद किया जाता है – यह आवरण अक्सर पॉलिमरों, सिलिका या संकर पदार्थों से बना होता है। यह आवरण PCM के पिघलने पर रिसाव रोकता है और पदार्थ को रासायनिक अपघटन से बचाता है।
सोनिकेशन अत्यंत सूक्ष्म इमल्शनों का उत्पादन संभव बनाता है, जो सूक्ष्म और नैनोकैप्सूलों के आधार के रूप में काम करते हैं। यह प्रक्रिया एकसमान बूंदें उत्पन्न करती है, जो बाद में PCM क्रोड बनाती हैं, जबकि आवरण बनाने वाले पदार्थ उनके चारों ओर बहुलकीकरण या संघनन अभिक्रिया करते हैं। परिणामी कैप्सूलों के आकार का वितरण संकीर्ण होता है और उनकी यांत्रिक स्थिरता बेहतर होती है।
ऐसे संपुटित PCMs का उपयोग स्मार्ट वस्त्रों, कोटिंगों, इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के शीतलन और तापीय प्रबंधन प्रणालियों सहित उन्नत अनुप्रयोगों में बढ़ता जा रहा है।

PCM के रूप में पैराफिन मोम: सोनिकेशन का एक व्यावहारिक उदाहरण

पैराफिन मोम जैसे कार्बनिक प्रावस्था परिवर्तन पदार्थों का व्यापक रूप से उपयोग उनकी रासायनिक स्थिरता, संक्षारण न करने वाले स्वभाव और अनुकूल गलन तापमानों के कारण किया जाता है। पैराफिन-आधारित PCMs का उपयोग आमतौर पर भवन निर्माण सामग्री, सौर तापीय प्रणालियों और तापीय नियमन प्रौद्योगिकियों में किया जाता है।
हालाँकि, पैराफिन मोम की तापीय चालकता भी अपेक्षाकृत कम होती है और इमल्शन या मिश्रित सामग्रियों में मिलाए जाने पर यह बड़ी बूँदें या समुच्चय बना सकता है। सोनिकेशन इन चुनौतियों का एक प्रभावी समाधान प्रदान करता है।
जब पैराफिन मोम को उच्च-शक्ति वाले अल्ट्रासाउंड से प्रसंस्कृत किया जाता है, तो कैविटेशन बल पिघले हुए मोम को अत्यंत महीन बूँदों में तोड़ देते हैं, जिससे स्थिर इमल्शन या परिक्षेपण बनते हैं। इससे मोम को किसी वाहक द्रव या पॉलिमर मैट्रिक्स में समान रूप से वितरित किया जा सकता है। परिणामी PCM फॉर्मूलेशन बेहतर ऊष्मा अंतरण गुण और बार-बार होने वाले प्रावस्था परिवर्तन चक्रों के दौरान अधिक स्थिरता प्रदर्शित करते हैं।
अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण का उपयोग पैराफिन माइक्रोकैप्सूल बनाने के लिए भी व्यापक रूप से किया जाता है, जिनमें पिघले हुए मोम की बूँदें पॉलिमर आवरणों के भीतर संपुटित होती हैं। ये कैप्सूल पिघलने के दौरान रिसाव रोकते हैं और पैराफिन PCMs को निर्माण सामग्री, कोटिंग या वस्त्रों में समाविष्ट करने में सक्षम बनाते हैं।

Hielscher सोनिकेटर PCM प्रसंस्करण के लिए आदर्श क्यों हैं

उन्नत PCM फॉर्मूलेशन के लिए आवश्यक परिक्षेपण गुणवत्ता प्राप्त करने हेतु उच्च-शक्ति वाले अल्ट्रासोनिक उपकरण अनिवार्य हैं। Hielscher Ultrasonics अनुसंधान प्रयोगशालाओं और औद्योगिक विनिर्माण, दोनों के लिए अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर का एक अग्रणी आपूर्तिकर्ता बन गया है।
Hielscher प्रणालियाँ अल्ट्रासोनिक आयाम, शक्ति इनपुट और प्रसंस्करण समय पर सटीक नियंत्रण प्रदान करती हैं, जिससे शोधकर्ता असाधारण पुनरुत्पादकता के साथ PCM फॉर्मूलेशन को सूक्ष्मता से समायोजित कर सकते हैं। उनके अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर प्रबल और सुसंगत कैविटेशन क्षेत्र उत्पन्न करते हैं, जिससे कण आकार में कुशल कमी, कण गुच्छों का विघटन और समांगीकरण सुनिश्चित होता है।
Hielscher प्रौद्योगिकी का एक अन्य प्रमुख लाभ इसकी पैमाना बढ़ाने की क्षमता है। प्रयोगशाला प्रणालियों में विकसित प्रक्रियाओं को सीधे औद्योगिक अल्ट्रासोनिक रिएक्टरों में स्थानांतरित किया जा सकता है, जिससे निर्माता मूल प्रक्रिया मापदंडों को बदले बिना छोटे पैमाने के प्रयोगों से व्यावसायिक उत्पादन की ओर बढ़ सकते हैं।
PCM परिक्षेपण तैयार करने के वैज्ञानिक अध्ययनों में Hielscher अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर का उपयोग पहले ही किया जा चुका है, जिससे समांगी मिश्रण बनाने और कण समुच्चयों को कम करने में उनकी प्रभावशीलता प्रदर्शित हुई है।

सोनिकेशन से PCM विकास में प्रगति

जैसे-जैसे ऊर्जा प्रणालियाँ विकसित होती हैं और कुशल तापीय भंडारण की माँग बढ़ती है, उन्नत प्रावस्था परिवर्तन पदार्थों की भूमिका अधिक महत्वपूर्ण होती जाएगी। इन पदार्थों का प्रदर्शन न केवल उनकी रासायनिक संरचना पर, बल्कि उन्हें तैयार और प्रसंस्कृत करने के लिए उपयोग की जाने वाली विधियों पर भी निर्भर करता है।
अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण PCM प्रणालियों की सूक्ष्मसंरचना को नियंत्रित करने के लिए एक प्रभावशाली और बहुउपयोगी साधन प्रदान करता है। एकसमान परिक्षेपण, नैनोकणों के समावेश और नैनोसंपुटन को संभव बनाकर, सोनिकेशन उन अनेक सीमाओं को दूर करने में मदद करता है जिन्होंने परंपरागत रूप से PCM प्रौद्योगिकियों की प्रगति में बाधा डाली है।

अल्ट्रासोनिक प्रसंस्करण अगली पीढ़ी के PCMs को संभव बनाने वाली एक प्रमुख प्रौद्योगिकी के रूप में तेजी से उभर रहा है, जिनमें शामिल हैं:

• नैनो-संवर्धित PCMs
• नैनो-संपुटित PCMs
• उच्च चालकता वाले PCM कंपोज़िट
• स्थिर PCM इमल्शन और परिक्षेपण

Hielscher के उच्च-प्रदर्शन वाले, औद्योगिक श्रेणी के सोनिकेटर बड़े पैमाने के उत्पादन तक रैखिक रूप से पैमाना बढ़ाने में सक्षम बनाते हैं – जिससे प्रावस्था परिवर्तन पदार्थ संभावनाशील प्रयोगशाला पदार्थों से आधुनिक ऊर्जा भंडारण और तापीय प्रबंधन के विश्वसनीय समाधानों में परिवर्तित होते हैं।

साहित्य / संदर्भ

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• 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.