Ултразвук унапређује материјале са фазном променом за складиштење енергије
, Kathrin Hielscher, објављено у рубрици Новости компаније Hielscher
Како расте глобална потражња за ефикасним управљањем енергијом, материјали са фазном променом (PCM) привлаче пажњу као моћно решење за складиштење топлотне енергије. Ови материјали могу да апсорбују и ослобађају велике количине топлоте током топљења и очвршћавања, што их чини вредним за примене које обухватају све од регулисања климатских услова у зградама до хлађења батерија и система обновљиве енергије.
Међутим, упркос обећавајућим својствима, многи PCM суочавају се са практичним изазовима који ограничавају њихову широку употребу. Истраживачи и инжењери све чешће се окрећу ултразвучној обради велике снаге – познатој и као соникација – како би превазишли ове препреке и искористили пун потенцијал материјала са фазном променом.
Ултразвучна обрада омогућава стварање PCM побољшаних наноматеријалима и наноинкапсулираних PCM, побољшава стабилност дисперзије и помаже у оптимизацији топлотних перформанси. Због тога се соникација издваја као једна од најефикаснијих технологија за производњу напредних PCM система.
Ултразвучни хомогенизатор UIP2000hdT за обраду PCM
Зашто су материјали са фазном променом важни за складиштење енергије
Материјали са фазном променом складиште енергију у облику латентне топлоте, која се апсорбује током топљења и ослобађа када материјал очврсне. За разлику од конвенционалних материјала који складиште топлоту искључиво променом температуре, PCM могу да складиште и ослобађају велике количине енергије при готово константним температурама.
Ово својство чини их веома привлачним за системе управљања топлотом. У зградама, PCM могу да регулишу унутрашње температуре тако што апсорбују вишак топлоте током дана и ослобађају је када температуре падну. У системима обновљиве енергије помажу у складиштењу топлотне енергије из соларних колектора. Такође се све више користе за хлађење електронике, управљање топлотом батерија и транспорт са контролисаном температуром.
Хидрати соли и органски материјали спадају међу највише проучаване PCM. На пример, Глауберова со (натријум-сулфат декахидрат) привукла је значајно интересовање због високе енталпије топљења и одговарајуће температуре фазног прелаза. Ове карактеристике омогућавају јој да ефикасно складишти значајне количине топлотне енергије.
Ипак, многи PCM системи показују проблеме са стабилношћу који се морају решити пре него што ови системи буду широко прихваћени.
Ултразвучни диспергатор UIP6000hdT за индустријску производњу материјала са фазном променом и флуида за пренос топлоте.
Упорни изазови конвенционалних PCM
Иако материјали са фазном променом могу да складиште велике количине енергије, њихове перформансе у пракси често зависе од тога колико добро материјал задржава стабилност током поновљених циклуса загревања и хлађења. Многи PCM имају проблеме са сегрегацијом фаза, потхлађивањем и слабом стабилношћу дисперзије, што временом може да погорша топлотне перформансе.
У системима на бази хидрата соли, као што је Глауберова со, ови проблеми су посебно изражени. До сегрегације фаза може доћи када се различите компоненте раздвоје током топљења, док потхлађивање може спречити кристализацију материјала на очекиваној температури. То одлаже ослобађање топлоте и смањује ефикасност система.
Још један чест проблем је стварање агрегата када се у PCM формулације уграђују адитиви или наночестице. Конвенционалне методе мешања често не успевају да равномерно диспергују честице, што доводи до нестабилних дисперзија и неуједначеног топлотног понашања.
Да би превазишли ова ограничења, истраживачи се све више ослањају на ултразвучну обраду, која нуди веома ефикасну методу за дисперговање материјала на микро- и наноскали.
Како соникација побољшава формулисање PCM
Соникација се заснива на појави акустичне кавитације, која настаје када се ултразвучни таласи високог интензитета простиру кроз течност. Ови таласи стварају микроскопске мехуриће који брзо колабирају, стварајући локализоване зоне екстремне температуре, притиска и смицајних сила.
Овај процес ствара услове интензивног мешања који се не могу постићи традиционалним механичким мешањем. Због тога соникација може да разбије агломерате честица, смањи величину честица и равномерно распореди адитиве по целој PCM матрици.
Експериментална истраживања PCM дисперзија показују да ултразвучно мешање ствара знатно мање агрегате и хомогеније смеше него магнетно мешање, чиме се побољшавају стабилност и репродуктивност.
Ова побољшања директно утичу на топлотне перформансе, јер хомогена дисперзија обезбеђује да се фазна промена одвија уједначено у целом материјалу.
Зашто соникација побољшава стабилност PCM материјала
Истраживања показују да методологија мешања има кључну улогу у перформансама PCM материјала.
На пример, експерименти са дисперзијама PCM материјала на бази хидрата соли показали су да ултразвучно мешање побољшава хомогеност и стабилност у поређењу са традиционалним методама мешања
Ултразвучна обрада побољшава PCM системе кроз неколико механизама:
- Мања величина честица
Кавитационе силе разбијају велике кристале или агрегате у ситне честице. - Побољшана уједначеност дисперзије
Ултразвук обезбеђује равномерну расподелу адитива као што су средства за нуклеацију и згушњивачи. - Смањена седиментација
Ситније честице дуже остају суспендоване. - Боље топлотне перформансе
Хомогени системи показују уједначеније фазне прелазе и веће ефективно складиштење топлоте.
Стони соникатор UIP1000hdT за дисперговање PCM материјала
Материјали са фазном променом побољшани наночестицама: побољшање топлотне проводљивости
Један од најузбудљивијих помака у истраживању PCM материјала јесте појава материјала са фазном променом побољшаних наночестицама (NePCMs). У овим системима наночестице се уграђују у PCM матрицу како би се побољшала топлотна проводљивост и убрзао пренос топлоте.
Наноматеријали као што су графен, угљеничне наноцеви и оксиди метала могу значајно да повећају брзину преноса топлоте. Међутим, наночестице имају тенденцију да агломеришу услед јаких привлачних сила између честица. Ако ове накупине нису правилно дисперговане, не могу се постићи очекивана побољшања топлотне проводљивости.
Ултразвучна обрада овде има кључну улогу. Интензивне кавитационе силе настале соникацијом разбијају накупине наночестица и равномерно их распоређују по целом PCM материјалу. Добијени PCM материјали побољшани наночестицама брже апсорбују и ослобађају топлоту, што их чини далеко ефикаснијим за примене у складиштењу топлотне енергије.
Наноинкапсулација: спречавање цурења и побољшање трајности
Још једна важна иновација коју омогућава ултразвучна обрада јесте наноинкапсулација материјала са фазном променом.
Код наноинкапсулираних PCM материјала, материјал са фазном променом затворен је унутар заштитног омотача – често направљеног од полимера, силицијум-диоксида или хибридних материјала. Овај омотач спречава цурење када се PCM материјал истопи и штити материјал од хемијске разградње.
Соникација омогућава производњу изузетно финих емулзија које служе као основа за микро- и нанокапсуле. Овај процес ствара уједначене капљице које касније формирају PCM језгро, док материјали омотача полимеризују или кондензују око њих. Добијене капсуле имају уске расподеле величина и побољшану механичку стабилност.
Такви инкапсулирани PCM материјали све више се користе у напредним применама, укључујући паметне текстиле, премазе, хлађење електронике и системе за управљање топлотом.
Парафински восак као PCM материјал: практичан пример соникације
Органски материјали са фазном променом, као што је парафински восак, широко се користе због своје хемијске стабилности, некорозивности и повољних температура топљења. PCM на бази парафина обично се користе у грађевинским материјалима, соларним термалним системима и технологијама за регулацију температуре.
Међутим, парафински восак такође има релативно ниску топлотну проводљивост и може да формира велике капљице или агрегате када се угради у емулзије или композитне материјале. Соникација нуди моћно решење за ове изазове.
Када се парафински восак обрађује ултразвуком велике снаге, кавитационе силе разбијају растопљени восак у изузетно ситне капљице, стварајући стабилне емулзије или дисперзије. То омогућава равномерно распоређивање воска унутар носећег флуида или полимерне матрице. Добијене PCM формулације показују побољшана својства преноса топлоте и повећану стабилност током поновљених циклуса фазне промене.
Ултразвучна обрада се такође широко користи за производњу парафинских микрокапсула, при чему се капљице растопљеног воска инкапсулирају унутар полимерних омотача. Ове капсуле спречавају цурење током топљења и омогућавају уградњу парафинских PCM у грађевинске материјале, премазе или текстил.
Зашто су Hielscher соникатори идеални за обраду PCM
Ултразвучна опрема велике снаге неопходна је за постизање квалитета дисперзије потребног за напредне PCM формулације. Hielscher Ultrasonics је постао водећи добављач ултразвучних процесора како за истраживачке лабораторије тако и за индустријску производњу.
Hielscher системи обезбеђују прецизну контролу ултразвучне амплитуде, улазне снаге и времена обраде, омогућавајући истраживачима да фино подешавају PCM формулације уз изузетну репродуктивност. Њихови ултразвучни процесори стварају снажна и постојана кавитациона поља, што обезбеђује ефикасно смањење величине честица, деагломерацију и хомогенизацију.
Још једна кључна предност Hielscher технологије јесте могућност повећања обима процеса. Процеси развијени у лабораторијским системима могу се директно пренети у индустријске ултразвучне реакторе, омогућавајући произвођачима да пређу са експериментисања у малом обиму на комерцијалну производњу без промене основних параметара процеса.
Hielscher ултразвучни процесори већ су коришћени у научним студијама за припрему PCM дисперзија, чиме је показана њихова ефикасност у производњи хомогених смеша и смањењу агрегата честица.
Напредак у развоју PCM применом соникације
Како се енергетски системи развијају и расте потражња за ефикасним складиштењем топлотне енергије, напредни материјали са фазном променом имаће све важнију улогу. Перформансе ових материјала зависе не само од њиховог хемијског састава већ и од метода које се користе за њихову припрему и обраду.
Ултразвучна обрада пружа моћан и свестран алат за контролу микроструктуре PCM система. Омогућавајући равномерне дисперзије, уградњу наночестица и наноинкапсулацију, соникација помаже у превазилажењу многих ограничења која су традиционално кочила PCM технологије.
Ултразвучна обрада брзо постаје кључна технологија која омогућава развој PCM следеће генерације, укључујући:
- PCM побољшани наноматеријалима
- Наноинкапсулирани PCM
- PCM композити високе топлотне проводљивости
- Стабилне PCM емулзије и дисперзије
Hielscher соникатори високих перформанси, намењени индустријској употреби, омогућавају линеарно повећање обима процеса до производње у великом обиму – чиме материјале са фазном променом претварају из обећавајућих лабораторијских материјала у поуздана решења за савремено складиштење енергије и управљање топлотом.
Нанодисперговање соникатором са сондом UP400ST
Уобичајени материјали са фазном променом, њихова својства и ефекти соникације
| Материјал са фазном променом | Типична употреба / напомене | Предности постигнуте соникацијом |
|---|---|---|
| Парафински восак (нпр. RT парафини, технички парафини) | Органски PCM; широко се користи за грађевинске материјале, термалне пакете и хлађење електронике. | Соникација ствара фине, стабилне дисперзије/емулзије воска у води (или воска у полимеру), смањује величину капљица, побољшава хомогеност, подржава микроинкапсулацију/наноинкапсулацију и омогућава бољу расподелу пунила за бржи пренос топлоте. |
| Масне киселине (нпр. лауринска, миристинска, палмитинска, стеаринска киселина) | Органски PCM; добра стабилност током циклуса, користи се у грађевинарству и за ублажавање температурних осцилација. | Ултразвучна емулзификација побољшава фазну стабилност и смањује раздвајање; помаже да се додаци за повећање топлотне проводљивости (нпр. угљенични адитиви) равномерније диспергују ради повећања брзине складиштења/ослобађања топлотне енергије. |
| Хидрати соли (нпр. натријум-сулфат декахидрат / Глауберова со, CaCl2·6H2O) | Висока латентна топлота; привлачни за складиштење топлотне енергије (TES), али склони сегрегацији и потхлађивању. | Соникација побољшава квалитет дисперзије и може да смањи величину агрегата у поређењу са конвенционалним мешањем, доприносећи хомогенијим смешама. У студији дисперзије Глауберове соли, соникација је одабрана као ефикаснија од магнетног мешања у смањењу агрегата, а редослед припреме снажно је утицао на хомогеност и стабилност. |
| Полиетиленгликоли (PEG) (нпр. PEG 600–6000) | Органски PCM; подесив опсег топљења; користи се у композитима и инкапсулираним системима. | Соникација побољшава умешавање у полимерне матрице, подржава формирање уједначених капљица PCM-а за инкапсулацију и побољшава дисперговање наночестица (PCM материјали побољшани наночестицама) ради повећања ефективне топлотне проводљивости. |
| Шећерни алкохоли (нпр. еритритол, ксилитол, манитол) | PCM материјали за више температуре; искоришћење индустријске отпадне топлоте, складиштење топлотне енергије на високим температурама. | Ултразвучна обрада побољшава деагломерацију додатих средстава за нуклеацију/топлотних пунила, побољшава уједначеност суспензија/суспензија са високим садржајем чврсте фазе и може да допринесе уједначенијем понашању при кристализацији у формулисаним системима (нарочито када се комбинује са средствима за нуклеацију). |
| Уља / естри биолошког порекла (нпр. деривати палминог уља, естри масних киселина) | Обновљиви органски PCM материјали; примена у грађевинарству и амбалажи. | Соникација побољшава емулзификацију и стабилизује дисперзије, омогућавајући расподеле капљица малих величина, лакше уграђивање у премазе/полимере и репродуктивнију производњу композитних PCM материјала. |
| Еутектички PCM материјали (органске–органске смеше, смеше хидрата соли) | Пројектоване температуре топљења; користе се када је потребна прецизна температура фазног прелаза. | Ултразвучно мешање убрзава хомогенизацију вишекомпонентних смеша, смањује локалне градијенте састава, побољшава дисперговање стабилизатора/средстава за нуклеацију и подржава уједначено понашање при промени фазе током циклуса. |
| Инкапсулирани PCM материјали (микроинкапсулирани/наноинкапсулирани парафини, хидрати соли) | Спречавање цурења; лако уграђивање у текстил, премазе, зидне плоче и флуиде. | Соникација омогућава стабилне наноемулзије и уске расподеле величина капљица, што доводи до уједначеније величине капсула, побољшане ефикасности инкапсулације, смањеног цурења и предвидљивијег топлотног одзива. |
| PCM материјали побољшани наночестицама (PCM + графен/CNT/метални оксиди) | Пројектовани за већу ефективну топлотну проводљивост и бржу размену топлоте. | Деагломерација изазвана кавитацијом равномерније диспергује наночестице, повећавајући број ефикасних путева за пренос топлоте, смањујући ризик од седиментације (уз одговарајућу формулацију) и побољшавајући поновљивост између шаржи. |
Литература / Референце
- 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.
Често постављана питања
Које су примене материјала са променом фазе?
Материјали са променом фазе (PCM) широко се користе за складиштење топлотне енергије и регулацију температуре. Њихова способност да апсорбују и ослобађају велике количине латентне топлоте током фазних прелаза чини их корисним за контролу унутрашње климе у зградама, складиштење соларне топлотне енергије, искоришћење индустријске отпадне топлоте, управљање топлотом батерија и електронике, транспорт са контролисаном температуром, текстил са регулацијом температуре и медицинску или прехрамбену амбалажу у којој се морају одржавати стабилне температуре.
Који се материјали са променом фазе користе у зградама и грађевинарству?
У грађевинарству, најчешће коришћени материјали са фазном променом (PCM) обухватају парафинске воскове, масне киселине, хидрате соли (као што су натријум-сулфат декахидрат или хидрати калцијум-хлорида) и полиетилен-гликоле (PEG). Ови материјали се често уграђују у гипсане плоче, зидне панеле, изолационе материјале и бетонске композите. Органски материјали са фазном променом, као што су парафини, посебно су популарни јер су хемијски стабилни и некорозивни, док су хидрати соли цењени због високог капацитета складиштења латентне топлоте.
Који материјали са фазном променом имају највећи капацитет складиштења енергије?
Међу најчешће коришћеним материјалима са фазном променом, хидрати соли и одређени метални или неоргански материјали са фазном променом имају највећи капацитет складиштења латентне топлоте. Хидрати соли, као што је натријум-сулфат декахидрат (Глауберова со), могу да складиште више од 200–250 kJ/kg латентне топлоте, што их чини веома ефикасним за складиштење топлотне енергије. Неки шећерни алкохоли, као што је еритритол, такође имају веома високе капацитете латентне топлоте при повишеним температурама фазне промене.
Да ли се материјали са фазном променом користе у електроници?
Да, материјали са фазном променом све се више користе за управљање топлотом у електроници. Материјали са фазном променом (PCM) уграђују се у хладњаке, батеријске пакете и расхладне модуле како би апсорбовали вршна топлотна оптерећења и спречили прегревање осетљивих компоненти. Током рада, материјал са фазном променом се топи и апсорбује вишак топлоте, стабилизујући температуру уређаја и побољшавајући поузданост и радни век електронских система као што су процесори, светлеће диоде и литијум-јонске батерије.
Ултразвучно уситњен и диспергован калцијум-хидроксиапатит
Hielscher Ultrasonics производи ултразвучне хомогенизаторе високих перформанси од лабораторијских до индустријских размера.