Ultraskaņa veicina fāžu pārejas materiālu attīstību enerģijas uzkrāšanai

Pieaugot globālajam pieprasījumam pēc efektīvas enerģijas pārvaldības, fāžu pārejas materiāli (PCM) piesaista uzmanību kā iedarbīgs risinājums siltumenerģijas uzkrāšanai. Šie materiāli kušanas un sacietēšanas laikā spēj absorbēt un atbrīvot lielu siltuma daudzumu, tāpēc tie ir vērtīgi dažādos lietojumos – no ēku klimata kontroles līdz akumulatoru dzesēšanai un atjaunojamās enerģijas sistēmām.
Tomēr, neraugoties uz daudzsološajām īpašībām, daudziem PCM ir praktiskas problēmas, kas ierobežo to plašu izmantošanu. Pētnieki un inženieri arvien biežāk pievēršas lieljaudas ultraskaņas apstrādei – ko dēvē arī par apstrādi ar ultraskaņu –, lai pārvarētu šos šķēršļus un pilnībā izmantotu fāžu pārejas materiālu potenciālu.
Ultraskaņas apstrāde ļauj radīt ar nanodaļiņām uzlabotus un nanoiekapsulētus PCM, uzlabo dispersiju stabilitāti un palīdz optimizēt siltumtehniskos raksturlielumus. Tādējādi apstrāde ar ultraskaņu kļūst par vienu no efektīvākajām tehnoloģijām modernu PCM sistēmu ražošanai.

Ultraskaņas homogenizators UIP2000hdT PCM apstrādei

Kāpēc fāžu pārejas materiāli ir svarīgi enerģijas uzkrāšanai

Fāžu pārejas materiāli uzkrāj enerģiju latentā siltuma veidā, kas tiek absorbēts kušanas laikā un atbrīvots, materiālam sacietējot. Atšķirībā no parastajiem materiāliem, kas uzkrāj siltumu tikai ar temperatūras maiņu, PCM spēj uzkrāt un atbrīvot lielu enerģijas daudzumu gandrīz nemainīgā temperatūrā.
Šī īpašība padara tos ļoti pievilcīgus siltuma pārvaldības sistēmām. Ēkās PCM var regulēt iekštelpu temperatūru, dienas laikā absorbējot lieko siltumu un atbrīvojot to, kad temperatūra pazeminās. Atjaunojamās enerģijas sistēmās tie palīdz uzkrāt siltumenerģiju no saules kolektoriem. Tos arvien biežāk izmanto arī elektronikas dzesēšanā, akumulatoru siltuma pārvaldībā un pārvadājumos ar kontrolētu temperatūru.
Sāļu hidrāti un organiskie materiāli ir vieni no visplašāk pētītajiem PCM. Piemēram, Glaubera sāls (nātrija sulfāta dekahidrāts) ir piesaistījis ievērojamu interesi, pateicoties tā augstajai kušanas entalpijai un piemērotajai fāžu pārejas temperatūrai. Šīs īpašības ļauj tam efektīvi uzkrāt ievērojamu siltumenerģijas daudzumu.
Tomēr daudzām PCM sistēmām ir stabilitātes problēmas, kas jānovērš, pirms tās var plaši ieviest.

Parasto PCM pastāvīgās problēmas

Lai gan fāžu pārejas materiāli spēj uzkrāt lielu enerģijas daudzumu, to praktiskā veiktspēja bieži ir atkarīga no tā, cik labi materiāls saglabā stabilitāti atkārtotos sildīšanas un dzesēšanas ciklos. Daudziem PCM ir raksturīga fāžu segregācija, pārdzesēšana un zema dispersijas stabilitāte, un visi šie faktori laika gaitā var pasliktināt siltumtehniskos raksturlielumus.
Sāļu hidrātu sistēmās, piemēram, Glaubera sāls sistēmās, šīs problēmas ir īpaši izteiktas. Fāžu segregācija var rasties, ja kušanas laikā atdalās dažādas sastāvdaļas, savukārt pārdzesēšana var neļaut materiālam kristalizēties paredzētajā temperatūrā. Tas aizkavē siltuma atbrīvošanu un samazina sistēmas efektivitāti.
Vēl viena izplatīta problēma ir agregātu veidošanās, kad PCM sastāvos iekļauj piedevas vai nanodaļiņas. Ar parastajām sajaukšanas metodēm bieži neizdodas vienmērīgi disperģēt daļiņas, tādēļ rodas nestabilas dispersijas un nevienmērīga termiskā uzvedība.
Lai novērstu šos ierobežojumus, pētnieki arvien biežāk izmanto ultraskaņas apstrādi, kas nodrošina ļoti efektīvu metodi materiālu disperģēšanai mikro- un nanomērogā.
 

Kā apstrāde ar ultraskaņu uzlabo PCM sastāva izstrādi

Apstrāde ar ultraskaņu balstās uz akustiskās kavitācijas parādību, kas rodas, augstas intensitātes ultraskaņas viļņiem izplatoties šķidrumā. Šie viļņi rada mikroskopiskus burbuļus, kas strauji saplok, radot lokālas zonas ar ārkārtīgi augstu temperatūru, spiedienu un lieliem bīdes spēkiem.
Šis process rada intensīvas sajaukšanas apstākļus, kurus nevar panākt ar tradicionālu mehānisku maisīšanu. Tādējādi apstrāde ar ultraskaņu var sašķelt daļiņu aglomerātus, samazināt daļiņu izmēru un vienmērīgi sadalīt piedevas visā PCM matricā.
Eksperimentāli PCM dispersiju pētījumi liecina, ka sajaukšana ar ultraskaņu rada ievērojami mazākus agregātus un viendabīgākus maisījumus nekā magnētiskā maisīšana, uzlabojot stabilitāti un reproducējamību.
Šie uzlabojumi tieši ietekmē siltumtehniskos raksturlielumus, jo viendabīga dispersija nodrošina vienmērīgu fāžu pārejas norisi visā materiālā.

Kāpēc apstrāde ar ultraskaņu uzlabo PCM stabilitāti

Pētījumi liecina, ka sajaukšanas metodei ir izšķiroša nozīme PCM veiktspējā.
Piemēram, eksperimenti ar sāļu hidrātu PCM dispersijām parādīja, ka sajaukšana ar ultraskaņu uzlaboja viendabīgumu un stabilitāti salīdzinājumā ar tradicionālajām sajaukšanas metodēm

Apstrāde ar ultraskaņu uzlabo PCM sistēmas ar vairāku mehānismu palīdzību:

1. Mazāks daļiņu izmērs
   Kavitācijas spēki sašķeļ lielus kristālus vai agregātus smalkās daļiņās.
2. Uzlabots dispersijas viendabīgums
   Ultraskaņa nodrošina tādu piedevu kā kristalizācijas centru veidošanās veicinātāju un biezinātāju vienmērīgu sadalījumu.
3. Samazināta sedimentācija
   Smalkākas daļiņas ilgāk paliek suspendētā stāvoklī.
4. Labāki siltumtehniskie raksturlielumi
   Viendabīgās sistēmās fāžu pārejas norit vienmērīgāk, un tām ir lielāka efektīvā siltuma uzkrāšanas spēja.

Ar nanodaļiņām uzlaboti fāžu pārejas materiāli: siltumvadītspējas uzlabošana

Viens no aizraujošākajiem sasniegumiem PCM pētniecībā ir ar nanodaļiņām uzlabotu fāžu pārejas materiālu (NePCM) parādīšanās. Šajās sistēmās nanodaļiņas tiek iestrādātas PCM matricā, lai uzlabotu siltumvadītspēju un paātrinātu siltuma pārnesi.
Tādi nanomateriāli kā grafēns, oglekļa nanocaurulītes un metālu oksīdi var ievērojami palielināt siltuma pārneses ātrumu. Tomēr spēcīgo pievilkšanās spēku dēļ starp daļiņām nanodaļiņām ir tendence aglomerēties. Ja šie sakopojumi netiek pienācīgi disperģēti, gaidītos siltumvadītspējas uzlabojumus nevar sasniegt.
Apstrādei ar ultraskaņu šeit ir izšķiroša nozīme. Apstrādes ar ultraskaņu radītie intensīvie kavitācijas spēki sašķeļ nanodaļiņu sakopojumus un vienmērīgi sadala daļiņas visā PCM. Iegūtie ar nanodaļiņām uzlabotie PCM ātrāk absorbē un izdala siltumu, padarot tos daudz efektīvākus siltumenerģijas uzkrāšanai.

Nanoiekapsulēšana: noplūdes novēršana un ilgizturības uzlabošana

Vēl viens svarīgs jauninājums, ko padara iespējamu apstrāde ar ultraskaņu, ir fāžu pārejas materiālu nanoiekapsulēšana.
Nanoiekapsulētos PCM fāžu pārejas materiāls ir ietverts aizsargapvalkā – bieži vien no polimēriem, silīcija dioksīda vai hibrīdmateriāliem. Šis apvalks novērš noplūdi, PCM kūstot, un aizsargā materiālu pret ķīmisku noārdīšanos.
Apstrāde ar ultraskaņu ļauj iegūt ārkārtīgi smalkas emulsijas, kas kalpo par pamatu mikro- un nanokapsulām. Procesā rodas vienāda izmēra pilieni, kas vēlāk veido PCM kodolu, savukārt apvalka materiāli ap tiem polimerizējas vai kondensējas. Iegūtajām kapsulām ir šaurs izmēru sadalījums un uzlabota mehāniskā stabilitāte.
Šādus iekapsulētus PCM arvien biežāk izmanto progresīvos lietojumos, tostarp viedajos tekstilmateriālos, pārklājumos, elektronikas dzesēšanā un siltuma pārvaldības sistēmās.

Parafīna vasks kā PCM: praktisks apstrādes ar ultraskaņu piemērs

Organiskos fāžu maiņas materiālus, piemēram, parafīna vasku, plaši izmanto to ķīmiskās stabilitātes, nekorozīvā rakstura un piemērotās kušanas temperatūras dēļ. PCM uz parafīna bāzes parasti izmanto būvmateriālos, saules siltumenerģijas sistēmās un temperatūras regulēšanas tehnoloģijās.
Tomēr parafīna vaskam piemīt arī salīdzinoši zema siltumvadītspēja, un, to iestrādājot emulsijās vai kompozītmateriālos, var veidoties lieli pilieni vai agregāti. Apstrāde ar ultraskaņu piedāvā efektīvu risinājumu šīm problēmām.
Apstrādājot parafīna vasku ar lieljaudas ultraskaņu, kavitācijas spēki sadala izkausēto vasku ārkārtīgi smalkos pilienos, veidojot stabilas emulsijas vai dispersijas. Tas ļauj vasku vienmērīgi sadalīt nesējšķidrumā vai polimēra matricā. Iegūtajiem PCM sastāviem ir uzlabotas siltumpārneses īpašības un paaugstināta stabilitāte atkārtotos fāžu maiņas ciklos.
Apstrādi ar ultraskaņu plaši izmanto arī parafīna mikrokapsulu ražošanai, kurās izkausēta vaska pilieni ir iekapsulēti polimēru apvalkos. Šīs kapsulas novērš noplūdi kušanas laikā un ļauj parafīna PCM iestrādāt būvmateriālos, pārklājumos vai tekstilizstrādājumos.

Kāpēc Hielscher ultraskaņas ierīces ir ideāli piemērotas PCM apstrādei

Lieljaudas ultraskaņas iekārtas ir būtiskas, lai sasniegtu progresīviem PCM sastāviem nepieciešamo dispersijas kvalitāti. Hielscher Ultrasonics ir kļuvis par vienu no vadošajiem ultraskaņas procesoru piegādātājiem gan pētniecības laboratorijām, gan rūpnieciskajai ražošanai.
Hielscher sistēmas nodrošina precīzu ultraskaņas amplitūdas, pievadītās jaudas un apstrādes laika kontroli, ļaujot pētniekiem precīzi pielāgot PCM sastāvus ar izcilu reproducējamību. To ultraskaņas procesori rada spēcīgus un vienmērīgus kavitācijas laukus, kas nodrošina efektīvu daļiņu izmēra 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 procesa pamatparametrus.
Hielscher ultraskaņas procesori jau ir izmantoti zinātniskos pētījumos PCM dispersiju sagatavošanai, apliecinot to efektivitāti viendabīgu maisījumu iegūšanā un daļiņu agregātu izmēra samazināšanā.

Sasniegumi PCM izstrādē, izmantojot apstrādi ar ultraskaņu

Attīstoties enerģētikas sistēmām un pieaugot pieprasījumam pēc efektīvas siltumenerģijas uzkrāšanas, progresīviem fāžu maiņas materiāliem būs arvien nozīmīgāka loma. Šo materiālu veiktspēja ir atkarīga ne tikai no to ķīmiskā sastāva, bet arī no to sagatavošanai un apstrādei izmantotajām metodēm.
Apstrāde ar ultraskaņu ir efektīvs un daudzpusīgs līdzeklis PCM sistēmu mikrostruktūras kontrolei. Nodrošinot vienmērīgas dispersijas, nanodaļiņu integrēšanu un nanoiekapsulēšanu, apstrāde ar ultraskaņu palīdz pārvarēt daudzus ierobežojumus, kas tradicionāli ir kavējuši PCM tehnoloģiju attīstību.

Apstrāde ar ultraskaņu strauji kļūst par vienu no galvenajām tehnoloģijām, kas ļauj izstrādāt nākamās paaudzes PCM, tostarp:

• Ar nanodaļiņām uzlabotus PCM
• Nanoiekapsulētus PCM
• PCM kompozītmateriālus ar augstu siltumvadītspēju
• Stabilas PCM emulsijas un dispersijas

Hielscher augstas veiktspējas rūpnieciskās ultraskaņas ierīces ļauj lineāri palielināt procesa mērogu līdz liela apjoma ražošanai – tādējādi pārvēršot fāžu maiņas materiālus no daudzsološiem laboratorijas materiāliem par uzticamiem risinājumiem mūsdienīgai enerģijas uzkrāšanai un siltuma pārvaldībai.

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.