Ультразвук способствует совершенствованию материалов с фазовым переходом для хранения энергии

По мере роста мирового спроса на эффективное управление энергией материалы с фазовым переходом (PCM) привлекают внимание как действенное решение для хранения тепловой энергии. Эти материалы могут поглощать и выделять большое количество тепла при плавлении и затвердевании, что делает их ценными для самых разных применений – от поддержания микроклимата в зданиях до охлаждения аккумуляторов и систем возобновляемой энергетики.
Однако, несмотря на многообещающие свойства, многие PCM сталкиваются с практическими проблемами, ограничивающими их широкое использование. Исследователи и инженеры всё чаще обращаются к обработке мощным ультразвуком, чтобы преодолеть эти препятствия и раскрыть весь потенциал материалов с фазовым переходом.
Обработка ультразвуком позволяет создавать PCM с нанодобавками и наноинкапсулированные PCM, повышает стабильность дисперсий и помогает оптимизировать тепловые характеристики. В результате обработка ультразвуком становится одной из наиболее эффективных технологий получения усовершенствованных систем на основе PCM.

Ультразвуковой гомогенизатор UIP2000hdT для обработки PCM

Почему материалы с фазовым переходом важны для хранения энергии

Материалы с фазовым переходом накапливают энергию в виде скрытой теплоты, которая поглощается при плавлении и выделяется при затвердевании материала. В отличие от обычных материалов, накапливающих тепло исключительно за счёт изменения температуры, PCM могут накапливать и выделять большое количество энергии при почти постоянной температуре.
Это свойство делает их весьма привлекательными для систем управления тепловым режимом. В зданиях PCM могут регулировать температуру помещений, поглощая избыточное тепло днём и выделяя его при снижении температуры. В системах возобновляемой энергетики они помогают накапливать тепловую энергию солнечных коллекторов. Их также всё чаще используют для охлаждения электроники, управления тепловым режимом аккумуляторов и перевозок с контролируемой температурой.
Кристаллогидраты солей и органические материалы относятся к числу наиболее широко изучаемых PCM. Например, глауберова соль (декагидрат сульфата натрия) привлекла значительный интерес благодаря высокой энтальпии плавления и подходящей температуре фазового перехода. Эти характеристики позволяют ей эффективно накапливать значительное количество тепловой энергии.
Тем не менее многие системы на основе PCM имеют проблемы со стабильностью, которые необходимо решить до их широкого внедрения.

Сохраняющиеся проблемы обычных PCM

Хотя материалы с фазовым переходом могут накапливать большое количество энергии, их практические характеристики часто зависят от того, насколько хорошо материал сохраняет стабильность при повторяющихся циклах нагрева и охлаждения. Многие PCM подвержены разделению фаз, переохлаждению и недостаточной стабильности дисперсии, что со временем может ухудшать тепловые характеристики.
В системах на основе кристаллогидратов солей, таких как глауберова соль, эти проблемы особенно выражены. Разделение фаз может происходить, когда различные компоненты разделяются при плавлении, а переохлаждение может препятствовать кристаллизации материала при ожидаемой температуре. Это задерживает выделение тепла и снижает эффективность системы.
Ещё одна распространённая проблема – образование агрегатов при введении добавок или наночастиц в составы PCM. Обычные методы смешивания часто не обеспечивают равномерного диспергирования частиц, что приводит к нестабильным дисперсиям и непостоянному тепловому поведению.
Для преодоления этих ограничений исследователи всё чаще используют обработку ультразвуком, которая представляет собой высокоэффективный метод диспергирования материалов на микро- и наноуровне.
 

Как обработка ультразвуком улучшает составы PCM

Обработка ультразвуком основана на явлении акустической кавитации, возникающем при распространении высокоинтенсивных ультразвуковых волн в жидкости. Эти волны создают микроскопические пузырьки, которые быстро схлопываются, образуя локальные зоны экстремальных температур, давления и сдвиговых сил.
Этот процесс создаёт условия интенсивного смешивания, которых невозможно достичь традиционным механическим перемешиванием. В результате обработка ультразвуком может разрушать агломераты частиц, уменьшать размер частиц и равномерно распределять добавки по всей матрице PCM.
Экспериментальные исследования дисперсий PCM показывают, что ультразвуковое смешивание позволяет получать значительно более мелкие агрегаты и более однородные смеси, чем магнитное перемешивание, что повышает стабильность и воспроизводимость.
Эти улучшения напрямую влияют на тепловые характеристики, поскольку однородная дисперсия обеспечивает равномерное протекание фазового перехода во всём объёме материала.

Почему обработка ультразвуком повышает стабильность PCM

Исследования показывают, что метод смешивания играет решающую роль в характеристиках PCM.
Например, эксперименты с дисперсиями PCM на основе кристаллогидратов солей показали, что ультразвуковое смешивание повышает однородность и стабильность по сравнению с традиционными методами смешивания

Обработка ультразвуком улучшает системы на основе PCM за счёт нескольких механизмов:

1. Меньший размер частиц

   Кавитационные силы разбивают крупные кристаллы или агрегаты на мелкие частицы.

2. Повышенная однородность дисперсии

   Ультразвук обеспечивает равномерное распределение добавок, таких как агенты зародышеобразования и загустители.

3. Снижение седиментации

   Более мелкие частицы дольше остаются во взвешенном состоянии.

4. Улучшенные тепловые характеристики

   Однородные системы демонстрируют более равномерные фазовые переходы и более высокую эффективную способность накапливать тепло.

Материалы с фазовым переходом и нанодобавками: повышение теплопроводности

Одно из наиболее интересных достижений в исследованиях PCM – появление материалов с фазовым переходом и нанодобавками (NePCMs). В этих системах наночастицы вводят в матрицу PCM для повышения теплопроводности и ускорения теплопередачи.
Наноматериалы, такие как графен, углеродные нанотрубки и оксиды металлов, могут значительно увеличивать скорость теплопередачи. Однако наночастицы склонны к агломерации из-за сильного взаимного притяжения. Если эти скопления не диспергированы должным образом, ожидаемого повышения теплопроводности достичь невозможно.
Обработка ультразвуком играет здесь решающую роль. Интенсивные кавитационные силы, создаваемые при обработке ультразвуком, разрушают скопления наночастиц и равномерно распределяют их по всему объёму PCM. Полученные PCM с нанодобавками быстрее поглощают и выделяют тепло, что делает их гораздо более эффективными для хранения тепловой энергии.

Наноинкапсуляция: предотвращение утечек и повышение долговечности

Ещё одно важное новшество, ставшее возможным благодаря обработке ультразвуком, – наноинкапсуляция материалов с фазовым переходом.
В наноинкапсулированных PCM материал с фазовым переходом заключён в защитную оболочку – часто из полимеров, диоксида кремния или гибридных материалов. Эта оболочка предотвращает утечку при плавлении PCM и защищает материал от химической деградации.
Обработка ультразвуком позволяет получать чрезвычайно тонкодисперсные эмульсии, служащие основой для микро- и нанокапсул. В ходе процесса образуются однородные капли, которые впоследствии формируют ядро из PCM, а материалы оболочки полимеризуются или подвергаются конденсации вокруг них. Полученные капсулы отличаются узким распределением размеров и повышенной механической стабильностью.
Такие инкапсулированные PCM всё чаще используются в передовых областях применения, включая умный текстиль, покрытия, охлаждение электроники и системы управления тепловым режимом.

Парафин в качестве PCM: практический пример обработки ультразвуком

Органические материалы с фазовым переходом, такие как парафин, широко применяются благодаря химической стабильности, отсутствию коррозионного воздействия и благоприятным температурам плавления. PCM на основе парафина обычно используются в строительных материалах, солнечных тепловых системах и технологиях терморегулирования.
Однако парафин также обладает относительно низкой теплопроводностью и может образовывать крупные капли или агрегаты при введении в эмульсии или композитные материалы. Обработка ультразвуком предлагает действенное решение этих проблем.
При обработке парафина мощным ультразвуком кавитационные силы разбивают расплавленный парафин на чрезвычайно мелкие капли, создавая стабильные эмульсии или дисперсии. Это позволяет равномерно распределить парафин в жидкости-носителе или полимерной матрице. Полученные составы PCM демонстрируют улучшенные характеристики теплопередачи и повышенную стабильность при повторяющихся циклах фазового перехода.
Обработка ультразвуком также широко используется для получения парафиновых микрокапсул, в которых капли расплавленного парафина заключены в полимерные оболочки. Эти капсулы предотвращают утечку при плавлении и позволяют вводить парафиновые PCM в строительные материалы, покрытия или текстиль.

Почему ультразвуковые аппараты Hielscher идеально подходят для обработки PCM

Мощное ультразвуковое оборудование необходимо для достижения качества дисперсии, требуемого для усовершенствованных составов PCM. Hielscher Ultrasonics стала одним из ведущих поставщиков ультразвуковых процессоров как для исследовательских лабораторий, так и для промышленного производства.
Системы Hielscher обеспечивают точный контроль амплитуды ультразвука, подводимой мощности и времени обработки, позволяя исследователям тонко настраивать составы PCM с исключительной воспроизводимостью. Их ультразвуковые процессоры создают мощные и стабильные кавитационные поля, что обеспечивает эффективное уменьшение размера частиц, деагломерацию и гомогенизацию.
Ещё одно ключевое преимущество технологии Hielscher – масштабируемость. Процессы, разработанные на лабораторных системах, можно напрямую переносить на промышленные ультразвуковые реакторы, что позволяет производителям переходить от экспериментов малого масштаба к коммерческому производству без изменения основных параметров процесса.
Ультразвуковые процессоры Hielscher уже использовались в научных исследованиях для приготовления дисперсий PCM, продемонстрировав свою эффективность в получении однородных смесей и уменьшении агрегатов частиц.

Достижения в разработке PCM с применением обработки ультразвуком

По мере развития энергетических систем и роста спроса на эффективное хранение тепла усовершенствованные материалы с фазовым переходом будут играть всё более важную роль. Характеристики этих материалов зависят не только от их химического состава, но и от методов их приготовления и обработки.
Обработка ультразвуком представляет собой действенный и универсальный инструмент управления микроструктурой систем на основе PCM. Обеспечивая получение однородных дисперсий, введение наночастиц и наноинкапсуляцию, обработка ультразвуком помогает преодолеть многие ограничения, традиционно сдерживавшие развитие технологий PCM.

Обработка ультразвуком быстро становится ключевой технологией, обеспечивающей создание PCM следующего поколения, включая:

• PCM с нанодобавками
• Наноинкапсулированные PCM
• Композиты на основе PCM с высокой теплопроводностью
• Стабильные эмульсии и дисперсии PCM

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты Hielscher промышленного класса позволяют линейно масштабировать процессы до крупномасштабного производства – тем самым превращая материалы с фазовым переходом из многообещающих лабораторных материалов в надёжные решения для современного хранения энергии и управления тепловым режимом.

Литература / источники

• 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.