Ուլտրաձայնը նպաստում է էներգիայի կուտակման համար նախատեսված ֆազափոխվող նյութերի զարգացմանը

Էներգիայի արդյունավետ կառավարման համաշխարհային պահանջարկի աճին զուգահեռ՝ ֆազափոխվող նյութերը (PCM) ուշադրության են արժանանում որպես ջերմային էներգիայի կուտակման հզոր լուծում։ Այս նյութերը հալման և պնդացման ընթացքում կարող են կլանել և արձակել մեծ քանակությամբ ջերմություն, ինչն արժեքավոր է դարձնում դրանք կիրառությունների լայն շրջանակում՝ շենքերի միկրոկլիմայի կարգավորումից մինչև մարտկոցների հովացում և վերականգնվող էներգիայի համակարգեր։
Սակայն, չնայած իրենց խոստումնալից հատկություններին, բազմաթիվ PCM նյութեր ունեն գործնական խնդիրներ, որոնք սահմանափակում են դրանց լայն կիրառությունը։ Այս խոչընդոտները հաղթահարելու և ֆազափոխվող նյութերի ամբողջ ներուժը բացահայտելու համար հետազոտողներն ու ինժեներներն ավելի ու ավելի հաճախ են դիմում բարձր հզորության ուլտրաձայնային մշակմանը, որը հայտնի է նաև որպես սոնիկացիա։
Ուլտրաձայնային մշակումը հնարավորություն է տալիս ստեղծել նանոմասնիկներով բարելավված և նանոպատիճավորված PCM նյութեր, բարելավում է դիսպերսիայի կայունությունը և օգնում օպտիմալացնել ջերմային արդյունավետությունը։ Արդյունքում՝ սոնիկացիան դառնում է առաջադեմ PCM համակարգերի արտադրության ամենաարդյունավետ տեխնոլոգիաներից մեկը։

PCM նյութերի մշակման համար նախատեսված ուլտրաձայնային հոմոգենիզատոր UIP2000hdT

Ինչու են ֆազափոխվող նյութերը կարևոր էներգիայի կուտակման համար

Ֆազափոխվող նյութերը կուտակում են էներգիան թաքնված ջերմության ձևով, որը կլանվում է հալման ընթացքում և արձակվում, երբ նյութը պնդանում է։ Ի տարբերություն սովորական նյութերի, որոնք ջերմություն են կուտակում միայն ջերմաստիճանի փոփոխության միջոցով, PCM նյութերը կարող են կուտակել և արձակել մեծ քանակությամբ էներգիա գրեթե հաստատուն ջերմաստիճաններում։
Այս հատկությունը դրանք խիստ գրավիչ է դարձնում ջերմային կառավարման համակարգերի համար։ Շենքերում PCM նյութերը կարող են կարգավորել ներքին ջերմաստիճանը՝ ցերեկը կլանելով ավելցուկային ջերմությունը և արձակելով այն, երբ ջերմաստիճանը նվազում է։ Վերականգնվող էներգիայի համակարգերում դրանք օգնում են կուտակել արևային կոլեկտորներից ստացվող ջերմային էներգիան։ Դրանք նաև ավելի ու ավելի լայնորեն են կիրառվում էլեկտրոնիկայի հովացման, մարտկոցների ջերմային կառավարման և ջերմաստիճանի վերահսկմամբ փոխադրումների մեջ։
Աղերի հիդրատներն ու օրգանական նյութերը ամենալայն ուսումնասիրված PCM նյութերից են։ Օրինակ՝ Գլաուբերի աղը (նատրիումի սուլֆատի դեկահիդրատը) զգալի հետաքրքրություն է առաջացրել իր հալման բարձր էնթալպիայի և ֆազային անցման հարմար ջերմաստիճանի շնորհիվ։ Այս բնութագրերը թույլ են տալիս դրան արդյունավետորեն կուտակել զգալի քանակությամբ ջերմային էներգիա։
Այնուամենայնիվ, բազմաթիվ PCM համակարգեր ունեն կայունության խնդիրներ, որոնք պետք է լուծվեն նախքան դրանց լայն ներդրումը։

Սովորական PCM նյութերի կայուն պահպանվող խնդիրները

Թեև ֆազափոխվող նյութերը կարող են կուտակել մեծ քանակությամբ էներգիա, դրանց գործնական արդյունավետությունը հաճախ կախված է նրանից, թե որքանով է նյութը պահպանում կայունությունը տաքացման և սառեցման կրկնվող ցիկլերի ընթացքում։ Բազմաթիվ PCM նյութեր ունեն ֆազային տարանջատման, գերսառեցման և դիսպերսիայի ցածր կայունության խնդիրներ, որոնք բոլորը ժամանակի ընթացքում կարող են վատթարացնել ջերմային արդյունավետությունը։
Աղերի հիդրատների վրա հիմնված համակարգերում, օրինակ՝ Գլաուբերի աղի դեպքում, այս խնդիրները հատկապես ընդգծված են։ Ֆազային տարանջատում կարող է տեղի ունենալ, երբ հալման ընթացքում տարբեր բաղադրիչներ առանձնանում են, մինչդեռ գերսառեցումը կարող է խոչընդոտել նյութի բյուրեղացմանը սպասվող ջերմաստիճանում։ Սա հետաձգում է ջերմության արձակումը և նվազեցնում համակարգի արդյունավետությունը։
Մեկ այլ տարածված խնդիր է ագրեգատների առաջացումը, երբ PCM բաղադրակազմերի մեջ ներմուծվում են հավելանյութեր կամ նանոմասնիկներ։ Խառնման սովորական մեթոդներով հաճախ չի հաջողվում մասնիկները հավասարաչափ դիսպերգել, ինչի հետևանքով առաջանում են անկայուն դիսպերսիաներ և անհետևողական ջերմային վարքագիծ։
Այս սահմանափակումները հաղթահարելու համար հետազոտողներն ավելի ու ավելի հաճախ են դիմում ուլտրաձայնային մշակմանը, որն ապահովում է նյութերի դիսպերգման խիստ արդյունավետ մեթոդ միկրո- և նանոմասշտաբներում։
 

Ինչպես է սոնիկացիան բարելավում PCM բաղադրակազմերի պատրաստումը

Ուլտրաձայնային մշակումը հիմնված է ակուստիկ կավիտացիայի երևույթի վրա, որն առաջանում է, երբ բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային ալիքները տարածվում են հեղուկի միջով։ Այս ալիքներն առաջացնում են մանրադիտակային պղպջակներ, որոնք արագ փլուզվում են՝ ստեղծելով ծայրահեղ բարձր ջերմաստիճանով, ճնշմամբ և սահքի ուժերով տեղային գոտիներ։
Այս գործընթացն ստեղծում է ինտենսիվ խառնման պայմաններ, որոնք հնարավոր չէ ապահովել ավանդական մեխանիկական խառնմամբ։ Արդյունքում ուլտրաձայնային մշակումը կարող է քայքայել մասնիկների ագլոմերատները, փոքրացնել մասնիկների չափը և հավելանյութերը հավասարաչափ բաշխել PCM մատրիցի ամբողջ ծավալում։
PCM դիսպերսիաների փորձարարական հետազոտությունները ցույց են տալիս, որ ուլտրաձայնային խառնումը մագնիսական խառնման համեմատ առաջացնում է զգալիորեն ավելի փոքր ագրեգատներ և ավելի համասեռ խառնուրդներ՝ բարելավելով կայունությունն ու վերարտադրելիությունը։
Այս բարելավումներն ուղղակիորեն ազդում են ջերմային բնութագրերի վրա, քանի որ համասեռ դիսպերսիան ապահովում է ֆազային անցման միատեսակ ընթացքը նյութի ամբողջ ծավալում։

Ինչու է ուլտրաձայնային մշակումը բարելավում PCM նյութերի կայունությունը

Հետազոտությունները ցույց են տալիս, որ խառնման մեթոդաբանությունը վճռորոշ դեր է խաղում PCM նյութերի աշխատանքային բնութագրերի համար։
Օրինակ՝ աղերի հիդրատների հիմքով PCM դիսպերսիաների փորձերը ցույց են տվել, որ ուլտրաձայնային խառնումը բարելավում է համասեռությունն ու կայունությունը՝ խառնման ավանդական մեթոդների համեմատ

Ուլտրաձայնային մշակումը բարելավում է PCM համակարգերը մի քանի մեխանիզմների միջոցով՝

1. Մասնիկների ավելի փոքր չափ
   Կավիտացիոն ուժերը խոշոր բյուրեղները կամ ագրեգատները տրոհում են մանր մասնիկների։
2. Դիսպերսիայի բարելավված միատարրություն
   Ուլտրաձայնն ապահովում է հավելանյութերի, օրինակ՝ բյուրեղացման սաղմնագոյացնող նյութերի և թանձրացուցիչների հավասարաչափ բաշխումը։
3. Նվազեցված նստվածքագոյացում
   Ավելի մանր մասնիկներն ավելի երկար են մնում կախված վիճակում։
4. Ավելի լավ ջերմային բնութագրեր
   Համասեռ համակարգերն ունեն ավելի միատեսակ ֆազային անցումներ և ջերմության արդյունավետ կուտակման ավելի բարձր ցուցանիշներ։

Նանոմասնիկներով բարելավված ֆազափոխվող նյութեր. ջերմահաղորդականության բարելավում

PCM նյութերի հետազոտության ամենահետաքրքիր զարգացումներից մեկը նանոմասնիկներով բարելավված ֆազափոխվող նյութերի (NePCMs) ի հայտ գալն է։ Այս համակարգերում նանոմասնիկները ներառվում են PCM մատրիցի մեջ՝ ջերմահաղորդականությունը բարձրացնելու և ջերմափոխանցումն արագացնելու համար։
Նանոնյութերը, ինչպիսիք են գրաֆենը, ածխածնային նանոխողովակները և մետաղների օքսիդները, կարող են զգալիորեն բարձրացնել ջերմափոխանցման արագությունը։ Սակայն նանոմասնիկները հակված են ագլոմերացման՝ մասնիկների միջև ձգողականության ուժեղ ուժերի պատճառով։ Եթե այս կուտակումները պատշաճ կերպով չեն դիսպերսվում, ջերմահաղորդականության ակնկալվող բարելավումներին հնարավոր չէ հասնել։
Այստեղ վճռորոշ դեր է խաղում ուլտրաձայնային մշակումը։ Ուլտրաձայնային մշակմամբ առաջացող ինտենսիվ կավիտացիոն ուժերը քայքայում են նանոմասնիկների կուտակումները և դրանք հավասարաչափ բաշխում PCM նյութի ամբողջ ծավալում։ Ստացված՝ նանոմասնիկներով բարելավված PCM նյութերն ավելի արագ են կլանում և արտազատում ջերմությունը, ինչը դրանք դարձնում է շատ ավելի արդյունավետ ջերմային էներգիայի կուտակման կիրառություններում։

Նանոպատիճավորում. արտահոսքի կանխում և երկարակեցության բարելավում

Ուլտրաձայնային մշակման շնորհիվ հնարավոր դարձած մեկ այլ կարևոր նորարարություն է ֆազափոխվող նյութերի նանոպատիճավորումը։
Նանոպատիճավորված PCM նյութերում ֆազափոխվող նյութը պարփակված է պաշտպանիչ թաղանթի մեջ, որը հաճախ պատրաստված է պոլիմերներից, սիլիցիումի երկօքսիդից կամ հիբրիդային նյութերից։ Այս թաղանթը կանխում է արտահոսքը, երբ PCM նյութը հալվում է, և նյութը պաշտպանում է քիմիական քայքայումից։
Ուլտրաձայնային մշակումը հնարավորություն է տալիս ստանալ չափազանց մանրադիսպերս էմուլսիաներ, որոնք ծառայում են որպես միկրոպատիճների և նանոպատիճների հիմք։ Գործընթացն առաջացնում է միատեսակ կաթիլներ, որոնք հետագայում կազմում են PCM միջուկը, մինչդեռ թաղանթի նյութերը դրանց շուրջ պոլիմերացվում կամ կոնդենսանում են։ Ստացված պատիճներն ունեն չափերի նեղ բաշխում և բարելավված մեխանիկական կայունություն։
Այսպիսի պատիճավորված PCM նյութերն ավելի ու ավելի լայնորեն են օգտագործվում առաջադեմ կիրառություններում, ներառյալ խելացի տեքստիլը, ծածկույթները, էլեկտրոնիկայի հովացումը և ջերմային կառավարման համակարգերը։

Պարաֆինային մոմը որպես PCM. ուլտրաձայնային մշակման գործնական օրինակ

Օրգանական ֆազափոխվող նյութերը, օրինակ՝ պարաֆինը, լայնորեն կիրառվում են իրենց քիմիական կայունության, կոռոզիա չառաջացնող բնույթի և հալման բարենպաստ ջերմաստիճանների շնորհիվ։ Պարաֆինի հիմքով ֆազափոխվող նյութերը (PCM) սովորաբար օգտագործվում են շինանյութերում, արևային ջերմային համակարգերում և ջերմակարգավորման տեխնոլոգիաներում։
Սակայն պարաֆինին բնորոշ է նաև համեմատաբար ցածր ջերմահաղորդականությունը, և այն կարող է խոշոր կաթիլներ կամ ագրեգատներ առաջացնել էմուլսիաների կամ կոմպոզիտային նյութերի մեջ ներառվելիս։ Ուլտրաձայնային մշակումը հզոր լուծում է առաջարկում այս խնդիրների համար։
Երբ պարաֆինը մշակվում է բարձր հզորության ուլտրաձայնով, կավիտացիոն ուժերը հալված պարաֆինը տրոհում են չափազանց մանր կաթիլների՝ ստեղծելով կայուն էմուլսիաներ կամ դիսպերսիաներ։ Սա թույլ է տալիս պարաֆինը հավասարաչափ բաշխել կրող հեղուկի կամ պոլիմերային մատրիցի մեջ։ Ստացված PCM բաղադրություններն ունեն ջերմափոխանցման բարելավված հատկություններ և ավելի բարձր կայունություն ֆազափոխության կրկնվող ցիկլերի ընթացքում։
Ուլտրաձայնային մշակումը լայնորեն կիրառվում է նաև պարաֆինի միկրոպարկուճներ արտադրելու համար, որոնցում հալված պարաֆինի կաթիլները պարփակված են պոլիմերային թաղանթների մեջ։ Այս պարկուճները կանխում են արտահոսքը հալման ընթացքում և թույլ են տալիս պարաֆինային ֆազափոխվող նյութերը ներառել շինարարական նյութերի, ծածկույթների կամ տեքստիլի մեջ։

Ինչու են Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը իդեալական PCM նյութերի մշակման համար

Բարձր հզորության ուլտրաձայնային սարքավորումները կարևոր նշանակություն ունեն առաջադեմ PCM բաղադրությունների համար պահանջվող դիսպերսման որակին հասնելու համար։ Hielscher Ultrasonics ընկերությունը դարձել է ուլտրաձայնային մշակման սարքերի առաջատար մատակարար ինչպես հետազոտական լաբորատորիաների, այնպես էլ արդյունաբերական արտադրության համար։
Hielscher համակարգերն ապահովում են ուլտրաձայնային տատանումների ամպլիտուդի, ներմուծվող հզորության և մշակման ժամանակի ճշգրիտ կառավարում՝ հետազոտողներին թույլ տալով նրբորեն կարգավորել PCM բաղադրությունները՝ բացառիկ վերարտադրելիությամբ։ Ընկերության ուլտրաձայնային մշակման սարքերը ստեղծում են ուժեղ և կայուն կավիտացիոն դաշտեր, ինչն ապահովում է մասնիկների չափի արդյունավետ փոքրացում, ապաագլոմերացում և հոմոգենացում։
Hielscher տեխնոլոգիայի մեկ այլ կարևոր առավելությունը արտադրության մասշտաբը մեծացնելու հնարավորությունն է։ Լաբորատոր համակարգերում մշակված գործընթացները կարող են անմիջապես տեղափոխվել արդյունաբերական ուլտրաձայնային ռեակտորներ՝ արտադրողներին հնարավորություն տալով փոքրածավալ փորձերից անցնել առևտրային արտադրության՝ առանց գործընթացի հիմնարար պարամետրերը փոխելու։
Hielscher ուլտրաձայնային մշակման սարքերն արդեն օգտագործվել են գիտական հետազոտություններում՝ PCM դիսպերսիաներ պատրաստելու համար՝ ցուցադրելով իրենց արդյունավետությունը համասեռ խառնուրդներ ստանալու և մասնիկների ագրեգատները փոքրացնելու գործում։

Առաջընթաց PCM նյութերի մշակման ոլորտում՝ ուլտրաձայնային մշակման միջոցով

Էներգետիկ համակարգերի զարգացմանը և ջերմության արդյունավետ կուտակման պահանջարկի աճին զուգընթաց՝ առաջադեմ ֆազափոխվող նյութերը գնալով ավելի կարևոր դեր կխաղան։ Այս նյութերի արդյունավետությունը կախված է ոչ միայն դրանց քիմիական բաղադրությունից, այլև դրանց պատրաստման և մշակման համար կիրառվող մեթոդներից։
Ուլտրաձայնային մշակումը հզոր և բազմակողմանի գործիք է PCM համակարգերի միկրոկառուցվածքը կառավարելու համար։ Հնարավորություն տալով ստանալ միատեսակ դիսպերսիաներ, ներառել նանոմասնիկներ և իրականացնել նանոպարկուճավորում՝ ուլտրաձայնային մշակումն օգնում է հաղթահարել այն սահմանափակումներից շատերը, որոնք ավանդաբար խոչընդոտել են PCM տեխնոլոգիաների զարգացումը։

Ուլտրաձայնային մշակումն արագորեն դառնում է հաջորդ սերնդի ֆազափոխվող նյութերի ստեղծումը հնարավոր դարձնող առանցքային տեխնոլոգիա, այդ թվում՝

• Նանոնյութերով բարելավված PCM նյութեր
• Նանոպարկուճավորված PCM նյութեր
• Բարձր ջերմահաղորդականությամբ PCM կոմպոզիտներ
• Կայուն PCM էմուլսիաներ և դիսպերսիաներ

Hielscher բարձր արդյունավետության, արդյունաբերական դասի ուլտրաձայնային սարքերը հնարավորություն են տալիս գծային կերպով մեծացնել գործընթացի մասշտաբը՝ հասնելով խոշորածավալ արտադրության, և այդպիսով ֆազափոխվող նյութերը խոստումնալից լաբորատոր նյութերից վերածել ժամանակակից էներգիայի կուտակման և ջերմային կառավարման հուսալի լուծումների։

Գրականություն / Հղումներ

• 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.