ულტრაბგერა აუმჯობესებს ენერგიის შენახვის ფაზური ცვლილების მასალებს

ეფექტური ენერგიის მართვის გლობალური მოთხოვნის ზრდასთან ერთად, ფაზური ცვლილების მასალები (PCM) ყურადღებას იმსახურებენ, როგორც თბოენერგიის შენახვის მძლავრი გადაწყვეტა. ეს მასალები შეძლებენ დიდი რაოდენობით სითბოს შთანთქმას და გამოყოფას დნობისა და გამყარების დროს, რაც მათ ღირებულს ხდის შენობების კლიმატის კონტროლიდან ბატარეების გაგრილებამდე და განახლებადი ენერგიის სისტემებამდე მრავალფეროვანი გამოყენებისთვის.
თუმცა, მათი პერსპექტიული თვისებების მიუხედავად, ბევრ PCM-ს აქვს პრაქტიკული სირთულეები, რომლებიც ზღუდავს მათ ფართო გამოყენებას. მკვლევრები და ინჟინრები უფრო და უფრო ხშირად მიმართავენ მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერით დამუშავებას – რომელიც ასევე ცნობილია, როგორც სონიკაცია – ამ სირთულეების დასაძლევად და ფაზური ცვლილების მასალების სრული პოტენციალის გასახსნელად.
ულტრაბგერითი დამუშავება საშუალებას იძლევა შეიქმნას ნანო-გაუმჯობესებული და ნანო-კაფსულირებული PCM, გაუმჯობესდეს დისპერსიის სტაბილურობა და დაეხმაროს თერმული ეფექტურობის ოპტიმიზაციას. შედეგად, სონიკაცია ჩნდება, როგორც ერთ-ერთი ყველაზე ეფექტური ტექნოლოგია მოწინავე PCM სისტემების წარმოებისთვის.

 

ულტრაბგერითი ჰომოგენიზატორი UIP2000hdT PCM-ების დამუშავებისთვის

რატომ არის ფაზური ცვლილების მასალები მნიშვნელოვანი ენერგიის შენახვისთვის

ფაზური ცვლილების მასალები ინახავენ ენერგიას ფარული სითბოს სახით, რომელიც შთაინთქმება დნობის დროს და გამოიყოფა, როდესაც მასალა მყარდება. ტრადიციული მასალებისგან განსხვავებით, რომლებიც ინახავენ სითბოს მხოლოდ ტემპერატურის ცვლილების გზით, PCM-ებს შეუძლიათ შეინახონ და გამოათავისუფლონ ენერგიის დიდი რაოდენობები თითქმის მუდმივ ტემპერატურაზე.
ეს თვისება მათ უაღრესად მიმზიდველს ხდის თერმული მართვის სისტემებისთვის. შენობებში PCM-ებს შეუძლიათ შეაკონტროლონ შიდა ტემპერატურა დღის განმავლობაში ზედმეტი სითბოს შთანთქმით და მისი გამოყოფით, როდესაც ტემპერატურა ეცემა. განახლებადი ენერგიის სისტემებში ისინი ეხმარებიან მზის კოლექტორებიდან თბოენერგიის შენახვას. ისინი ასევე უფრო და უფრო ხშირად გამოიყენება ელექტრონიკის გაგრილებაში, ბატარეების თერმულ მართვასა და ტემპერატურით კონტროლირებად ტრანსპორტირებაში.
მარილის ჰიდრატები და ორგანული მასალები არის ყველაზე ფართოდ შესწავლილი PCM-ები. მაგალითად, გლაუბერის მარილმა (ნატრიუმის სულფატის დეკაჰიდრატი) გამოიწვია მნიშვნელოვანი ინტერესი მისი დნობის მაღალი ენთალპიისა და შესაბამისი ფაზური გარდაქმნის ტემპერატურის გამო. ეს მახასიათებლები საშუალებას აძლევს მას ეფექტურად შეინახოს თბოენერგიის მნიშვნელოვანი რაოდენობები.
თუმცა, ბევრ PCM სისტემას აქვს სტაბილურობის პრობლემები, რომლებიც უნდა გადაიჭრას მანამ, სანამ ისინი ფართოდ იქნება მიღებული.

ტრადიციული PCM-ების მუდმივი სირთულეები

მიუხედავად იმისა, რომ ფაზური ცვლილების მასალებს შეუძლიათ შეინახონ ენერგიის დიდი რაოდენობები, მათი პრაქტიკული ეფექტურობა ხშირად დამოკიდებულია იმაზე, თუ რამდენად კარგად რჩება მასალა სტაბილური გამეორებადი გათბობისა და გაცივების ციკლების დროს. ბევრი PCM იტანჯება ფაზური სეგრეგაციის, ზეგაცივებისა და ცუდი დისპერსიული სტაბილურობისგან, რაც ყველა დროთა განმავლობაში შეიძლება შეამციროს თერმული ეფექტურობა.
მარილის ჰიდრატების სისტემებში, როგორიცაა გლაუბერის მარილი, ეს პრობლემები განსაკუთრებით გამოხატულია. ფაზური სეგრეგაცია შეიძლება მოხდეს, როდესაც სხვადასხვა კომპონენტები ცალ-ცალკე იყოფა დნობის დროს, ხოლო ზეგაცივება შეიძლება ხელი შეუშალოს მასალას კრისტალიზაციას მოსალოდნელ ტემპერატურაზე. ეს ანელებს სითბოს გამოყოფას და ამცირებს სისტემის ეფექტურობას.
კიდევ ერთი გავრცელებული პრობლემა არის აგრეგატების წარმოქმნა, როდესაც დანამატები ან ნანონაწილაკები ჩაისმება PCM ფორმულაციებში. ტრადიციული შერევის მეთოდები ხშირად ვერ ახდენენ ნაწილაკების თანაბარ დისპერსიას, რაც იწვევს არასტაბილურ დისპერსიებს და არათანაბარ თერმულ ქცევას.
ამ შეზღუდვების დასაძლევად, მკვლევრები უფრო და უფრო ხშირად ეყრდნობიან ულტრაბგერით დამუშავებას, რომელიც სთავაზობს მასალების მიკრო- და ნანოდონეზე დისპერსიის უაღრესად ეფექტურ მეთოდს.
 

როგორ აუმჯობესებს სონიკაცია PCM ფორმულაციას

ულტრაბგერითი დამუშავება ეფუძნება აკუსტიკური კავიტაციის ფენომენს, რომელიც წარმოიქმნება მაღალი ინტენსივობის ულტრაბგერითი ტალღების სითხეში გავრცელებისას. ეს ტალღები ქმნის მიკროსკოპული ზომის ბუშტუკებს, რომლებიც სწრაფად იმსხვრევა, რის შედეგადაც წარმოიქმნება ექსტრემალური ტემპერატურის, წნევისა და ძვრის ძალების ლოკალიზებული ზონები.
ეს პროცესი ქმნის ინტენსიურ შერევის პირობებს, რომლებიც ტრადიციული მექანიკური მორევის საშუალებით მიუღწეველია. შედეგად, ულტრაბგერითი დამუშავება შეუძლია ნაწილაკების აგლომერატების დაშლას, ნაწილაკების ზომის შემცირებას და დანამატების თანაბრად განაწილებას PCM მატრიცის მთელ მოცულობაში.
PCM დისპერსიებზე ჩატარებული ექსპერიმენტული კვლევები აჩვენებს, რომ ულტრაბგერითი შერევა მაგნიტურ მორევასთან შედარებით მნიშვნელოვნად უფრო მცირე აგლომერატებსა და უფრო ჰომოგენურ ნარევებს იძლევა, რაც სტაბილურობისა და გამრავლებადობის გაუმჯობესებას იწვევს.
ეს გაუმჯობესებები პირდაპირ აისახება თერმულ ეფექტურობაზე, რადგან ჰომოგენური დისპერსია უზრუნველყოფს, რომ ფაზური გარდაქმნა მასალის მთელ მოცულობაში თანაბრად მიმდინარეობს.

რატომ აუმჯობესებს ულტრაბგერითი დამუშავება PCM სტაბილურობას

კვლევები აჩვენებს, რომ შერევის მეთოდოლოგიას გადამწყვეტი მნიშვნელობა აქვს PCM ეფექტურობაში.
მაგალითად, მარილჰიდრატული PCM დისპერსიებით ჩატარებულმა ექსპერიმენტებმა აჩვენეს, რომ ულტრაბგერითმა შერევამ ჰომოგენურობა და სტაბილურობა გააუმჯობესა ტრადიციული შერევის მეთოდებთან შედარებით

ულტრაბგერითი დამუშავება PCM სისტემებს რამდენიმე მექანიზმის საშუალებით აუმჯობესებს:

1. ნაწილაკების მცირე ზომა
   კავიტაციის ძალები დიდ კრისტალებს ან აგლომერატებს მცირე ნაწილაკებად შლიან.
2. დისპერსიის გაუმჯობესებული თანაბარგანაწილება
   ულტრაბგერა უზრუნველყოფს, რომ დანამატები, როგორიცაა კრისტალიზაციის აქტივატორები და სიბლანტის მატებლები, თანაბრად არის განაწილებული.
3. სედიმენტაციის შემცირება
   უფრო წვრილი ნაწილაკები უფრო დიდხანს რჩება შეჩერებულ მდგომარეობაში.
4. უკეთესი თერმული ეფექტურობა
   ჰომოგენური სისტემები ავლენს უფრო თანაბარ ფაზურ გარდაქმნებს და უფრო მაღალ ეფექტურ სითბურ ენერგიის შენახვას.

ნანოგაუმჯობესებული ფაზური გარდაქმნის მასალები: თერმული გამტარობის გაუმჯობესება

PCM კვლევის ერთ-ერთი ყველაზე საინტერესო მიღწევა ნანოგაუმჯობესებული ფაზური გარდაქმნის მასალების (NePCMs) გამოჩენაა. ამ სისტემებში ნანონაწილაკები PCM მატრიცაში ინტეგრირდება თერმული გამტარობის გასაუმჯობესებლად და სითბოს გადაცემის დასაჩქარებლად.
ნანომასალები, როგორიცაა გრაფენი, ნახშირბადის ნანომილაკები და ლითონის ოქსიდები, მნიშვნელოვნად ზრდიან სითბოს გადაცემის სიჩქარეს. თუმცა, ნაწილაკებს შორის არსებული ძლიერი მიმზიდველი ძალების გამო, ნანონაწილაკები აგლომერაციისკენ არიან მიდრეკილნი. თუ ეს კლასტერები სათანადოდ არ არის დისპერსირებული, თერმული გამტარობის მხრივ მოსალოდნელი გაუმჯობესებები ვერ მიიღწევა.
ულტრაბგერით დამუშავებას აქ გადამწყვეტი როლი აქვს. ულტრაბგერითი დამუშავებით წარმოქმნილი ინტენსიური კავიტაციის ძალები ნანონაწილაკების კლასტერებს შლიან და მათ თანაბრად ანაწილებენ PCM-ში. მიღებული ნანოგაუმჯობესებული PCM-ები ავლენენ სითბოს უფრო სწრაფ შთანთქმასა და გამოყოფას, რაც მათ თერმული ენერგიის შენახვისთვის ბევრად ეფექტურს ხდის.

ნანოკაფსულირება: გაჟონვის პრევენცია და გამძლეობის გაუმჯობესება

ულტრაბგერითი დამუშავებით შესაძლებელი გახდა კიდევ ერთი მნიშვნელოვანი ინოვაცია – ფაზური გარდაქმნის მასალების ნანოკაფსულირება.
ნანოკაფსულირებულ PCM-ებში ფაზური გარდაქმნის მასალა დამცავი გარსითაა შემოსილი, რომელიც ხშირად პოლიმერების, სილიციუმის ან ჰიბრიდული მასალებისგან მზადდება. ეს გარსი ხელს უშლის გაჟონვას PCM-ის დნობისას და მასალას ქიმიური დეგრადაციისგან იცავს.
ულტრაბგერითი დამუშავება საშუალებას იძლევა, წარმოიქმნას უკიდურესად წვრილი ემულსიები, რომლებიც მიკრო- და ნანოკაფსულების საფუძველს წარმოადგენენ. პროცესი ქმნის თანაბარ წვეთებს, რომლებიც შემდგომში PCM გულს წარმოქმნიან, ხოლო გარსის მასალები მათ გარშემო პოლიმერიზდებიან ან კონდენსირდებიან. მიღებული კაფსულები ავლენენ ზომის მცირე დიაპაზონსა და გაუმჯობესებულ მექანიკურ სტაბილურობას.
ასეთი კაფსულირებული PCM-ები სულ უფრო ხშირად გამოიყენება მოწინავე გამოყენებებში, მათ შორის: ჭკვიან ტექსტილში, საფარებში, ელექტრონიკის გაგრილებასა და თერმული მართვის სისტემებში.

პარაფინის ცვილი როგორც PCM: ულტრაბგერითი დამუშავების პრაქტიკული მაგალითი

ორგანული ფაზური ცვლილების მასალები, როგორიცაა პარაფინის ცვილი, ფართოდ გამოიყენება მათი ქიმიური სტაბილურობის, არა-კოროზიული ბუნებისა და ხელსაყრელი დნობის ტემპერატურების გამო. პარაფინზე დაფუძნებული PCM-ები ჩვეულებრივ გამოიყენება სამშენებლო მასალებში, მზის თერმულ სისტემებსა და თერმული რეგულირების ტექნოლოგიებში.
თუმცა, პარაფინის ცვილი ასევე განიცდის შედარებით დაბალ თერმულ გამტარობას და შეუძლია შექმნას დიდი წვეთები ან აგრეგატები, როდესაც ის ჩაისმება ემულსიებში ან კომპოზიტურ მასალებში. ულტრაბგერითი დამუშავება სთავაზობს მძლავრ გადაწყვეტას ამ გამოწვევებისთვის.
როდესაც პარაფინის ცვილი დამუშავდება მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერით, კავიტაციის ძალები შლიან გადნობილ ცვილს უკიდურესად წვრილ წვეთებად, რაც ქმნის სტაბილურ ემულსიებს ან დისპერსიებს. ეს საშუალებას აძლევს ცვილს თანაბრად განაწილდეს მატარებელ სითხეში ან პოლიმერულ მატრიცაში. მიღებული PCM ფორმულაციები ავლენს გაუმჯობესებულ თერმულ გადაცემის თვისებებსა და გაზრდილ სტაბილურობას ფაზური ცვლილების ციკლების განმეორებისას.
ულტრაბგერითი დამუშავება ასევე ფართოდ გამოიყენება პარაფინის მიკროკაფსულების წარმოებისთვის, სადაც გადნობილი ცვილის წვეთები კაფსულირდება პოლიმერულ გარსებში. ეს კაფსულები ხელს უშლიან გაჟონვას დნობის დროს და საშუალებას აძლევს პარაფინის PCM-ებს ინტეგრირდნენ სამშენებლო მასალებში, საღებავებში ან ტექსტილში.

რატომ არის Hielscher-ის სონიკატორები იდეალური PCM-ის დამუშავებისთვის

მაღალი სიმძლავრის ულტრაბგერითი აპარატურა აუცილებელია იმ დისპერსიის ხარისხის მისაღწევად, რომელიც საჭიროა მოწინავე PCM ფორმულაციებისთვის. Hielscher Ultrasonics გახდა ულტრაბგერითი პროცესორების წამყვანი მიმწოდებელი როგორც სამეცნიერო ლაბორატორიებისთვის, ისე სამრეწველო წარმოებისთვის.
Hielscher-ის სისტემები უზრუნველყოფენ ზუსტ კონტროლს ულტრაბგერითი ამპლიტუდაზე, სიმძლავრის შესავალზე და დამუშავების დროზე, რაც მკვლევრებს საშუალებას აძლევს დახვეწონ PCM ფორმულაციები გამორჩეული გამეორებადობით. მათი ულტრაბგერითი პროცესორები ქმნიან ძლიერ და მუდმივ კავიტაციის ველებს, რაც უზრუნველყოფს ნაწილაკების ზომის ეფექტურ შემცირებას, დეაგრეგაციასა და ჰომოგენიზაციას.
Hielscher-ის ტექნოლოგიის კიდევ ერთი მთავარი უპირატესობა არის მასშტაბირებადობა. ლაბორატორიულ სისტემებში შემუშავებული პროცესები შეიძლება პირდაპირ გადავიდეს სამრეწველო ულტრაბგერით რეაქტორებში, რაც მწარმოებლებს საშუალებას აძლევს გადავიდნენ მცირე მასშტაბის ექსპერიმენტებიდან კომერციულ წარმოებაზე საბაზისო პროცესის პარამეტრების ცვლილების გარეშე.
Hielscher-ის ულტრაბგერითი პროცესორები უკვე გამოიყენებოდა სამეცნიერო კვლევებში PCM დისპერსიების მოსამზადებლად, რაც აჩვენებს მათ ეფექტურობას ჰომოგენური ნარევების წარმოებასა და ნაწილაკების აგრეგატების შემცირებაში.

PCM-ის განვითარებაში მიღწევები ულტრაბგერითი დამუშავებით

როდესაც ენერგეტიკული სისტემები ვითარდება და ეფექტური თერმული შენახვის მოთხოვნა იზრდება, მოწინავე ფაზური ცვლილების მასალები უფრო და უფრო მნიშვნელოვან როლს ითამაშებენ. ამ მასალების წარმადობა დამოკიდებულია არა მხოლოდ მათ ქიმიურ შემადგენლობაზე, არამედ მათ მოსამზადებლად და დასამუშავებლად გამოყენებულ მეთოდებზეც.
ულტრაბგერითი დამუშავება სთავაზობს მძლავრ და მრავალფეროვან ინსტრუმენტს PCM სისტემების მიკროსტრუქტურის კონტროლისთვის. თანაბარი დისპერსიების, ნანონაწილაკების ინტეგრაციისა და ნანოკაფსულირების შესაძლებლობით, ულტრაბგერითი დამუშავება ხელს უწყობს ბევრი იმ შეზღუდვის დაძლევას, რომლებმაც ტრადიციულად ხელი შეუშალა PCM ტექნოლოგიებს.

ულტრაბგერითი დამუშავება სწრაფად იქცევა მომავალი თაობის PCM-ების ძირითად ხელშემწყობ ტექნოლოგიად, მათ შორის:

• ნანო-გაუმჯობესებული PCM-ები
• ნანო-კაფსულირებული PCM-ები
• მაღალი გამტარობის PCM კომპოზიტები
• სტაბილური PCM ემულსიები და დისპერსიები

Hielscher-ის მაღალი წარმადობის, სამრეწველო კლასის სონიკატორები საშუალებას აძლევს ხაზოვან მასშტაბირებას დიდი მასშტაბის წარმოებამდე – რითაც ფაზური ცვლილების მასალები გადაიქცევა პერსპექტიული ლაბორატორიული მასალებიდან თანამედროვე ენერგიის შენახვისა და თერმული მართვის სანდო გადაწყვეტებად.

 

ლიტერატურა / რეფერენსები

• 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.