Ultraskaņa uzlabo fāžu maiņas materiālus enerģijas uzglabāšanai
, Kathrin Hielscher, publicēts Hielscher News
Pieaugot globālajam pieprasījumam pēc efektīvas enerģijas pārvaldības, arvien vairāk uzmanības tiek pievērsts fāžu maiņas materiāliem (PCM) kā efektīvam siltumenerģijas uzglabāšanas risinājumam. Šie materiāli kausēšanas un sacietēšanas laikā var absorbēt un izdalīt lielu siltuma daudzumu, padarot tos vērtīgus dažādiem lietojumiem, sākot no ēku klimata kontroles līdz akumulatoru dzesēšanai un atjaunojamās enerģijas sistēmām.
Tomēr, neraugoties uz daudzsološajām īpašībām, daudzi PCM saskaras ar praktiskām problēmām, kas ierobežo to plašo izmantošanu. Pētnieki un inženieri arvien vairāk pievēršas lieljaudas ultraskaņas apstrādei. – pazīstams arī kā sonikācija – lai pārvarētu šos šķēršļus un atraisītu visu fāžu maiņas materiālu potenciālu.
Ultraskaņas apstrāde ļauj izveidot nanoizlabotus un nanokapsulētus PCM, uzlabo dispersijas stabilitāti un palīdz optimizēt termiskās īpašības. Tādējādi sonikācija kļūst par vienu no efektīvākajām tehnoloģijām progresīvu PCM sistēmu ražošanai.
Ultraskaņas homogenizators UIP2000hdT PCMs apstrādei
Kāpēc fāžu maiņas materiāli ir svarīgi enerģijas uzglabāšanai
Fāžu maiņas materiāli uzkrāj enerģiju latentā siltuma veidā, kas tiek absorbēts kušanas laikā un izdalās, kad materiāls sacietē. Atšķirībā no parastajiem materiāliem, kas uzkrāj siltumu, tikai mainoties temperatūrai, PCM var uzkrāt un atbrīvot lielu enerģijas daudzumu gandrīz nemainīgā temperatūrā.
Šī īpašība padara tos ļoti pievilcīgus siltuma vadības sistēmām. Ēkās PCM var regulēt iekštelpu temperatūru, absorbējot lieko siltumu dienas laikā un atbrīvojot to, kad temperatūra pazeminās. Atjaunojamās enerģijas sistēmās tie palīdz uzglabāt siltumenerģiju no saules kolektoriem. Tos arvien biežāk izmanto arī elektronikas dzesēšanā, akumulatoru siltuma pārvaldībā un temperatūras kontrolētā transportā.
Sāls hidrāti un organiskie materiāli ir vieni no visplašāk pētītajiem PCM. Piemēram, Glaubera sāls (nātrija sulfāta dekahidrāts) ir piesaistījusi lielu interesi, jo tai ir augsta kušanas entalpija un piemērota fāžu pārejas temperatūra. Šīs īpašības ļauj tam efektīvi uzglabāt ievērojamus siltumenerģijas daudzumus.
Tomēr daudzām PCM sistēmām ir stabilitātes problēmas, kas jārisina, pirms tās var plaši ieviest.
Ultraskaņas disperseris UIP6000hdT rūpnieciskai fāžu maiņas materiālu un siltumnesēju ražošanai.
Tradicionālo PCM pastāvīgās problēmas
Lai gan fāžu maiņas materiāli var uzglabāt lielu enerģijas daudzumu, to praktiskā veiktspēja bieži vien ir atkarīga no tā, cik stabils ir materiāls atkārtotu sildīšanas un dzesēšanas ciklu laikā. Daudzi PCM cieš no fāžu segregācijas, pārdzesēšanas un sliktas dispersijas stabilitātes, kas laika gaitā var pasliktināt siltumtehniskās īpašības.
Šīs problēmas ir īpaši izteiktas sālshidrātu sistēmās, piemēram, Glaubera sālim. Fāžu segregācija var rasties, ja kušanas laikā atdalās dažādi komponenti, savukārt pārdzesēšana var neļaut materiālam kristalizēties paredzamajā temperatūrā. Tas aizkavē siltuma izdalīšanos un samazina sistēmas efektivitāti.
Vēl viena bieži sastopama problēma ir agregātu veidošanās, kad PCM preparātos tiek pievienotas piedevas vai nanodaļiņas. Parastās sajaukšanas metodes bieži vien nespēj vienmērīgi disperģēt daļiņas, kā rezultātā rodas nestabilas dispersijas un nekonsekventas termiskās īpašības.
Lai novērstu šos ierobežojumus, pētnieki arvien vairāk izmanto ultraskaņas apstrādi, kas ir ļoti efektīva metode materiālu disperģēšanai mikro- un nanomērogos.
Kā sonikācija uzlabo PCM formulēšanu
Sonikācijas pamatā ir akustiskās kavitācijas fenomens, kas rodas, kad šķidrumā izplatās augstas intensitātes ultraskaņas viļņi. Šie viļņi rada mikroskopiskus burbuļus, kas strauji sabrūk, radot lokālas ekstrēmas temperatūras, spiediena un bīdes spēku zonas.
Šis process rada intensīvas sajaukšanās apstākļus, ko nevar panākt ar tradicionālo mehānisko maisīšanu. Tā rezultātā sonikācijas rezultātā var sadalīt daļiņu aglomerātus, samazināt daļiņu izmēru un vienmērīgi sadalīt piedevas visā PCM matricā.
PCM dispersiju eksperimentālie pētījumi liecina, ka ultraskaņas maisīšanas rezultātā veidojas ievērojami mazāki agregāti un homogēnāki maisījumi nekā magnētiskās maisīšanas rezultātā, kas uzlabo stabilitāti un reproducējamību.
Šie uzlabojumi tieši ietekmē termisko veiktspēju, jo homogēna dispersija nodrošina, ka fāžu maiņa notiek vienmērīgi visā materiālā.
Kāpēc sonikācija uzlabo PCM stabilitāti
Pētījumi liecina, ka sajaukšanas metodoloģijai ir būtiska nozīme PCM veiktspējā.
Piemēram, eksperimenti ar sālshidrāta PCM dispersijām parādīja, ka ultraskaņas maisīšana uzlabo homogenitāti un stabilitāti salīdzinājumā ar tradicionālajām maisīšanas metodēm.
Ultraskaņas apstrāde uzlabo PCM sistēmas, izmantojot vairākus mehānismus:
- Mazāks daļiņu izmērs
Kavitācijas spēki sadala lielos kristālus vai agregātus sīkās daļiņās. - Uzlabota dispersijas viendabība
Ultraskaņa nodrošina, ka piedevas, piemēram, kodolvielas un biezinātāji, tiek vienmērīgi sadalītas. - Samazināta sedimentācija
Smalkākās daļiņas ilgāk saglabājas suspendētas. - Labāka termiskā veiktspēja
Homogēnās sistēmās fāžu pāreja ir konsekventāka, un tām piemīt augstāka efektīvā siltuma uzkrāšanas spēja.
Stenda sonikators UIP1000hdT PCM izkliedēšanai
Nano-uzlabotas fāžu maiņas materiāli: Siltumvadītspējas uzlabošana
Viens no visaizraujošākajiem sasniegumiem PCM pētniecībā ir nanoefektīvo fāzes maiņas materiālu (NePCM) parādīšanās. Šajās sistēmās nanodaļiņas tiek iestrādātas PCM matricā, lai uzlabotu siltumvadītspēju un paātrinātu siltuma pārnesi.
Nanomateriāli, piemēram, grafēns, oglekļa nanocaurulītes un metālu oksīdi, var ievērojami uzlabot siltuma pārneses ātrumu. Tomēr nanodaļiņām ir tendence aglomerēties spēcīgu pievilkšanās spēku dēļ starp daļiņām. Ja šie klasteri nav pareizi izkliedēti, nav iespējams sasniegt gaidītos siltumvadītspējas uzlabojumus.
Ultraskaņas apstrādei šeit ir izšķiroša nozīme. Intensīvie kavitācijas spēki, ko rada sonikācija, sadala nanodaļiņu kopas un vienmērīgi izkliedē tās visā PCM. Rezultātā iegūtajiem PCM ar nanoizpausmēm piemīt ātrāka siltuma absorbcija un izdalīšanās, padarot tos daudz efektīvākus siltumenerģijas uzglabāšanas lietojumiem.
Nanokapsulēšana: Nankupulverizācija: noplūdes novēršana un ilgizturības uzlabošana
Vēl viens svarīgs jauninājums, ko nodrošina ultraskaņas apstrāde, ir fāžu maiņas materiālu nanokapsulēšana.
Nanokapsulētajos PCM fāzes maiņas materiāls ir ievietots aizsargapvalkā, kas bieži vien ir izgatavots no polimēriem, silīcija dioksīda vai hibrīda materiāliem. Šis apvalks novērš noplūdi, kad PCM kūst, un pasargā materiālu no ķīmiskas noārdīšanās.
Sonikācija ļauj iegūt ļoti smalkas emulsijas, kas kalpo par pamatu mikro- un nanokapsulām. Procesa laikā rodas viendabīgi pilieni, kas vēlāk veido PCM kodolu, bet ap tiem polimerizējas vai kondensējas apvalka materiāli. Rezultātā iegūtajām kapsulām piemīt šaurs izmēru sadalījums un uzlabota mehāniskā stabilitāte.
Šādi iekapsulēti PCM arvien biežāk tiek izmantoti progresīvos lietojumos, tostarp viedajos tekstilmateriālos, pārklājumos, elektronikas dzesēšanā un siltuma pārvaldības sistēmās.
Parafīna vasks kā PCM: praktisks sonikācijas piemērs
Organiskie fāžu maiņas materiāli, piemēram, parafīna vasks, tiek plaši izmantoti to ķīmiskās stabilitātes, nekaitīguma un labvēlīgās kušanas temperatūras dēļ. PCM uz parafīna bāzes parasti izmanto celtniecības materiālos, saules siltuma sistēmās un siltuma regulēšanas tehnoloģijās.
Tomēr parafīna vaskam ir arī salīdzinoši zema siltumvadītspēja, un, ja to iekļauj emulsijās vai kompozītmateriālos, tas var veidot lielus pilienus vai agregātus. Sonikācija piedāvā spēcīgu risinājumu šīm problēmām.
Apstrādājot parafīna vasku ar lieljaudas ultraskaņu, kavitācijas spēki izkausēto vasku sadala ārkārtīgi sīkos pilienos, veidojot stabilas emulsijas vai dispersijas. Tas ļauj vasku vienmērīgi sadalīt nesošajā šķidrumā vai polimēru matricā. Rezultātā iegūtajiem PCM preparātiem piemīt uzlabotas siltuma pārneses īpašības un lielāka stabilitāte atkārtotu fāžu maiņas ciklu laikā.
Ultraskaņas apstrādi plaši izmanto arī parafīna mikrokapsulu ražošanā, kur izkausētā vaska pilieni tiek iekapsulēti polimēra apvalkā. Šīs kapsulas novērš noplūdi kausēšanas laikā un ļauj parafīna PCM integrēt būvmateriālos, pārklājumos vai tekstilmateriālos.
Kāpēc Hielscher sonikatori ir ideāli piemēroti PCM apstrādei
Lieljaudas ultraskaņas iekārtas ir ļoti svarīgas, lai panāktu dispersijas kvalitāti, kas nepieciešama progresīviem PCM preparātiem. Hielscher Ultrasonics ir kļuvusi par vadošo ultraskaņas procesoru piegādātāju gan pētniecības laboratorijām, gan rūpnieciskajai ražošanai.
Hielscher sistēmas nodrošina precīzu ultraskaņas amplitūdas, ievadītās jaudas un apstrādes laika kontroli, ļaujot pētniekiem precīzi pielāgot PCM preparātus ar izcilu reproducējamību. To ultraskaņas procesori rada spēcīgus un konsekventus kavitācijas laukus, kas nodrošina efektīvu daļiņu izmēru samazināšanu, deaglomerāciju un homogenizāciju.
Vēl viena būtiska Hielscher tehnoloģijas priekšrocība ir mērogojamība. Laboratorijas sistēmās izstrādātos procesus var tieši pārnest uz rūpnieciskiem ultraskaņas reaktoriem, ļaujot ražotājiem pāriet no neliela mēroga eksperimentiem uz komerciālu ražošanu, nemainot pamatā esošos procesa parametrus.
Hielscher ultraskaņas procesori jau ir izmantoti zinātniskos pētījumos PCM dispersiju sagatavošanai, pierādot to efektivitāti viendabīgu maisījumu ražošanā un daļiņu agregātu samazināšanā.
Sasniegumi PCM izstrādē ar sonikāciju
Attīstoties energosistēmām un pieaugot pieprasījumam pēc efektīvas siltuma uzglabāšanas, arvien lielāka nozīme būs progresīviem fāžu maiņas materiāliem. Šo materiālu veiktspēja ir atkarīga ne tikai no to ķīmiskā sastāva, bet arī no to sagatavošanas un apstrādes metodēm.
Ultraskaņas apstrāde ir spēcīgs un daudzpusīgs līdzeklis PCM sistēmu mikrostruktūras kontrolei. Nodrošinot viendabīgas dispersijas, nanodaļiņu integrāciju un nanokapsulēšanu, sonikācija palīdz pārvarēt daudzus ierobežojumus, kas tradicionāli kavēja PCM tehnoloģiju attīstību.
Ultraskaņas apstrāde strauji kļūst par galveno tehnoloģiju, kas ļauj izmantot nākamās paaudzes PCM, tostarp:
- Nano-pastiprināti PCM
- Nanokapsulēti PCM
- Augstas vadītspējas PCM kompozīti
- Stabilas PCM emulsijas un dispersijas
Hielscher augstas veiktspējas, rūpnieciskās klases sonikatori ļauj lineāri palielināt līdz liela mēroga ražošanai, tādējādi pārveidojot fāžu maiņas materiālus no daudzsološiem laboratorijas materiāliem par uzticamiem risinājumiem modernai enerģijas uzglabāšanai un siltuma vadībai.
Nano-dispersija ar zondes tipa sonikatoru UP400ST
Bieži sastopamie fāžu maiņas materiāli, to īpašības un sonikācijas ietekme
| Fāzes maiņas materiāls | Tipisks lietojums / piezīmes | Sonikācijas sniegtās priekšrocības |
|---|---|---|
| parafīna vasks (piemēram, RT parafīni, tehniskie parafīni) | Organiskais PCM; plaši izmantots būvmateriālu, termisko paku, elektronikas dzesēšanai. |
Sonikācija rada smalkas, stabilas dispersijas/emulsijas vasks-ūdenī (vai vasks-polimērā), samazina pilienu izmēru, uzlabo viendabīgumu, atbalsta mikro/nanokapsulēšanu un nodrošina labāku pildvielas sadalījumu, lai paātrinātu siltuma pārnesi. |
| Taukskābes (piemēram, laurīnskābe, miristīnskābe, palmitīnskābe, stearīnskābe). | Organiskais PCM; laba cikliskā stabilitāte, izmanto celtniecībā un siltuma buferēšanā. |
Ultraskaņas emulģēšana uzlabo fāžu stabilitāti un samazina atdalīšanos; palīdz disperģēt siltumvadītspējas pastiprinātājus. (piemēram, oglekļa piedevas) vienmērīgāk, lai uzlabotu uzlādes/izlādes ātrumu. |
| Sāls hidrāti (piemēram, nātrija sulfāta dekahidrāts / Glaubera sāls, CaCl2·6H2O) | Augsts latentais siltums; pievilcīgs TES, bet pakļauts segregācijai un pārdzesēšanai. |
Sonikācija uzlabo dispersijas kvalitāti un, salīdzinot ar parasto maisīšanu, var samazināt agregātu lielumu, veicinot viendabīgāku maisījumu veidošanos. Glaubera sāls dispersijas pētījumā sonikācija tika izvēlēta kā efektīvāka nekā magnētiskā maisīšana, lai samazinātu agregātu veidošanos, un sagatavošanas secība spēcīgi ietekmēja homogenitāti un stabilitāti. |
| Polietilēnglikoli (PEG) (piemēram, PEG 600-6000). | Organiskais PCM; regulējams kušanas diapazons; izmanto kompozītmateriālos un iekapsulētās sistēmās. |
Sonikācija uzlabo sajaukšanos polimēru matricās, veicina viendabīgu PCM pilienu veidošanos iekapsulēšanai, un pastiprina nanodaļiņu dispersiju (nano-pastiprināts PCM), lai palielinātu faktisko siltuma vadītspēju. |
| Cukura spirti (piemēram, eritritols, ksilitols, mannīts). | Augstākas temperatūras PCM; rūpnieciskā atkritumu siltuma atgūšana, augstas temperatūras uzglabāšana. |
Ultraskaņas apstrāde uzlabo pievienoto nukleantu/termisko pildvielu deaglomerāciju, uzlabo suspensiju/ suspensiju viendabīgumu, un var veicināt konsekventāku kristalizāciju formulētajās sistēmās (jo īpaši kombinācijā ar kodolu veidojošām vielām). |
| Bioloģiskas eļļas / esteri (piemēram, palmu eļļas atvasinājumi, taukskābju esteri). | Atjaunojamie organiskie PCM; pielietojums celtniecībā un iepakojumā. |
Sonikācija uzlabo emulģēšanu un stabilizē dispersijas, nodrošinot smalku pilienu sadalījumu, vieglāka iestrādāšana pārklājumos/polimēros, kā arī vieglāk reproducējama kompozītu PCM ražošana. |
| Eutektiskie PCM (organiski-organiski, sāls hidrātu maisījumi) | Izstrādāti kušanas punkti; izmanto, ja nepieciešama precīza pārejas temperatūra. |
Ultraskaņas maisīšana paātrina daudzkomponentu maisījumu homogenizāciju, samazina vietējos sastāva gradientus, uzlabo stabilizatoru/nukleantu dispersiju un nodrošina konsekventu fāžu maiņas uzvedību cikla laikā. |
| Iesaiņoti PCM (mikro/nanokapsulēti parafīni, sāls hidrāti) | Noplūdes novēršana; viegla integrācija tekstilmateriālos, pārklājumos, sienu plātnēs un šķidrumos. |
Sonikācija nodrošina stabilas nanoemulsijas un šauru pilienu izmēru sadalījumu, kas nodrošina viendabīgāku kapsulu izmēru, uzlabota hermetizācijas efektivitāte, samazināta noplūde un prognozējamāka termiskā reakcija. |
| Nano-pastiprināti PCM (PCM + grafēns/CNT/metālu oksīdi) | Paredzēta augstākai efektīvai siltumvadītspējai un ātrākai siltuma apmaiņai. |
Kavitācijas izraisīta deaglomerācija izkliedē nanodaļiņas vienmērīgāk, tādējādi palielinot efektīvos siltuma pārneses ceļus, samazināt sedimentācijas risku (ar atbilstošu formulējumu) un uzlabot atkārtojamību no partijas uz partiju. |
Literatūra / Atsauces
- 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.
Biežāk uzdotie jautājumi
Kādi ir fāžu maiņas materiālu lietojumi?
Fāzes maiņas materiālus (PCM) plaši izmanto siltumenerģijas uzglabāšanai un temperatūras regulēšanai. To spēja absorbēt un izdalīt lielu daudzumu latentā siltuma fāžu pāreju laikā padara tos noderīgus ēku klimata kontrolei, saules siltumenerģijas uzkrāšanai, rūpnieciskā atkritumu siltuma atgūšanai, bateriju un elektronikas siltuma pārvaldībai, temperatūras kontrolei transportā, tekstilizstrādājumiem ar termoregulāciju, kā arī medicīnas un pārtikas iepakojumam, kur jāuztur stabila temperatūra.
Kādi fāžu maiņas materiāli tiek izmantoti celtniecībā un būvniecībā?
Būvniecībā visbiežāk izmantotie PCM ir parafīna vaski, taukskābes, sāļu hidrāti (piemēram, nātrija sulfāta dekahidrāts vai kalcija hlorīda hidrāti) un polietilēnglikoli (PEG). Šos materiālus bieži iestrādā ģipškartona plātnēs, sienu paneļos, izolācijas materiālos un betona kompozītmateriālos. Organiskie PCM, piemēram, parafīni, ir īpaši populāri, jo tie ir ķīmiski stabili un nerūsējoši, savukārt sāļu hidrāti tiek novērtēti to lielās latentās siltuma uzkrāšanas jaudas dēļ.
Kādiem fāžu maiņas materiāliem ir vislielākā enerģijas uzglabāšanas jauda?
No parasti izmantotajiem PCM vislielākā latentā siltuma uzkrāšanas spēja ir sāls hidrātiem un dažiem metāliskiem vai neorganiskiem PCM. Sāls hidrāti, piemēram, nātrija sulfāta dekahidrāts (Glaubera sāls), var uzkrāt vairāk nekā 200-250 kJ/kg latentā siltuma, padarot tos ļoti efektīvus siltumenerģijas uzglabāšanai. Arī daži cukura spirti, piemēram, eritritols, pie paaugstinātām fāžu maiņas temperatūrām nodrošina ļoti augstu latentā siltuma kapacitāti.
Vai elektronikā tiek izmantoti fāžu maiņas materiāli?
Jā, fāžu maiņas materiālus arvien biežāk izmanto elektronikas siltuma vadībā. PCM tiek iestrādāti radiatoros, akumulatoru blokos un dzesēšanas moduļos, lai absorbētu maksimālo termisko slodzi un novērstu jutīgu komponentu pārkaršanu. Darbības laikā PCM kūst un absorbē lieko siltumu, stabilizējot ierīces temperatūru un uzlabojot elektronisko sistēmu, piemēram, procesoru, LED un litija jonu akumulatoru, uzticamību un kalpošanas ilgumu.
Ultrasoniski samazināts un disperģēts kalcija-hidroksiapatīts
Hielscher Ultrasonics ražo augstas veiktspējas ultraskaņas homogenizatorus no Lab līdz rūpnieciskais izmērs.