อัลตราซาวนด์ช่วยพัฒนาวัสดุเปลี่ยนเฟสสำหรับการกักเก็บพลังงาน

เมื่อความต้องการการจัดการพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพทั่วโลกเพิ่มขึ้น วัสดุเปลี่ยนเฟส (PCMs) จึงได้รับความสนใจในฐานะวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการกักเก็บพลังงานความร้อน วัสดุเหล่านี้สามารถดูดซับและปล่อยความร้อนปริมาณมากระหว่างการหลอมเหลวและการแข็งตัว จึงมีคุณค่าสำหรับการใช้งานตั้งแต่การควบคุมสภาวะอากาศภายในอาคารไปจนถึงการระบายความร้อนของแบตเตอรี่และระบบพลังงานหมุนเวียน
อย่างไรก็ตาม แม้จะมีคุณสมบัติที่น่าสนใจ แต่ PCMs หลายชนิดยังเผชิญกับความท้าทายในการใช้งานจริงที่จำกัดการใช้งานอย่างแพร่หลาย นักวิจัยและวิศวกรจึงหันมาใช้การแปรรูปด้วยอัลตราซาวนด์กำลังสูง – หรือที่เรียกว่าการโซนิเคชัน – มากขึ้น เพื่อเอาชนะอุปสรรคเหล่านี้และใช้ศักยภาพของวัสดุเปลี่ยนเฟสได้อย่างเต็มที่
การแปรรูปด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยให้สร้าง PCMs ที่เสริมสมรรถนะด้วยวัสดุนาโนและ PCMs ที่ห่อหุ้มในแคปซูลระดับนาโนได้ เพิ่มความเสถียรของการกระจายตัว และช่วยปรับสมรรถนะทางความร้อนให้เหมาะสมที่สุด ด้วยเหตุนี้ การโซนิเคชันจึงกำลังกลายเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดสำหรับการผลิตระบบ PCM ขั้นสูง

เครื่องโฮโมจีไนเซอร์อัลตราโซนิก UIP2000hdT สำหรับการแปรรูป PCMs

เหตุใดวัสดุเปลี่ยนเฟสจึงมีความสำคัญต่อการกักเก็บพลังงาน

วัสดุเปลี่ยนเฟสกักเก็บพลังงานในรูปของความร้อนแฝง ซึ่งถูกดูดซับระหว่างการหลอมเหลวและปล่อยออกมาเมื่อวัสดุแข็งตัว ต่างจากวัสดุทั่วไปที่กักเก็บความร้อนผ่านการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิเพียงอย่างเดียว PCMs สามารถกักเก็บและปล่อยพลังงานปริมาณมากที่อุณหภูมิเกือบคงที่ได้
คุณสมบัตินี้ทำให้วัสดุเหล่านี้น่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับระบบจัดการความร้อน ในอาคาร PCMs สามารถควบคุมอุณหภูมิภายในโดยดูดซับความร้อนส่วนเกินในช่วงกลางวันและปล่อยออกมาเมื่ออุณหภูมิลดลง ในระบบพลังงานหมุนเวียน วัสดุเหล่านี้ช่วยกักเก็บพลังงานความร้อนจากตัวเก็บรังสีอาทิตย์ นอกจากนี้ยังมีการใช้งานเพิ่มขึ้นในการระบายความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ การจัดการความร้อนของแบตเตอรี่ และการขนส่งแบบควบคุมอุณหภูมิ
เกลือไฮเดรตและวัสดุอินทรีย์เป็นหนึ่งในกลุ่ม PCMs ที่ได้รับการศึกษาอย่างแพร่หลายที่สุด ตัวอย่างเช่น เกลือกลอเบอร์ (sodium sulfate decahydrate) ได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากมีเอนทัลปีของการหลอมเหลวสูงและมีอุณหภูมิการเปลี่ยนเฟสที่เหมาะสม คุณลักษณะเหล่านี้ช่วยให้กักเก็บพลังงานความร้อนปริมาณมากได้อย่างมีประสิทธิภาพ
อย่างไรก็ตาม ระบบ PCM หลายระบบมีปัญหาด้านความเสถียรที่ต้องแก้ไขก่อนที่จะนำไปใช้อย่างแพร่หลายได้

ความท้าทายที่ยังคงมีอยู่ของ PCMs แบบดั้งเดิม

แม้วัสดุเปลี่ยนเฟสจะกักเก็บพลังงานปริมาณมากได้ แต่สมรรถนะในการใช้งานจริงมักขึ้นอยู่กับความสามารถของวัสดุในการรักษาความเสถียรตลอดวัฏจักรการให้ความร้อนและการทำให้เย็นซ้ำ ๆ PCMs หลายชนิดประสบปัญหาการแยกเฟส ภาวะเย็นยิ่งยวด และความเสถียรของการกระจายตัวต่ำ ซึ่งทั้งหมดอาจทำให้สมรรถนะทางความร้อนลดลงเมื่อเวลาผ่านไป
ในระบบเกลือไฮเดรต เช่น เกลือกลอเบอร์ ปัญหาเหล่านี้เด่นชัดเป็นพิเศษ การแยกเฟสอาจเกิดขึ้นเมื่อองค์ประกอบต่าง ๆ แยกออกจากกันระหว่างการหลอมเหลว ขณะที่ภาวะเย็นยิ่งยวดอาจทำให้วัสดุไม่ตกผลึกที่อุณหภูมิที่คาดไว้ ส่งผลให้การปล่อยความร้อนล่าช้าและประสิทธิภาพของระบบลดลง
อีกปัญหาหนึ่งที่พบได้บ่อยคือการเกิดกลุ่มอนุภาคเมื่อเติมสารเติมแต่งหรืออนุภาคนาโนลงในสูตร PCM วิธีการผสมแบบดั้งเดิมมักไม่สามารถกระจายอนุภาคได้อย่างสม่ำเสมอ ส่งผลให้การกระจายตัวไม่เสถียรและพฤติกรรมทางความร้อนไม่สม่ำเสมอ
เพื่อแก้ไขข้อจำกัดเหล่านี้ นักวิจัยจึงพึ่งพาการแปรรูปด้วยอัลตราซาวนด์มากขึ้น ซึ่งเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการกระจายวัสดุในระดับไมโครและนาโน
 

การโซนิเคชันช่วยปรับปรุงการเตรียมสูตร PCM ได้อย่างไร

การโซนิเคชันอาศัยปรากฏการณ์คาวิเทชันทางเสียง ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อคลื่นอัลตราซาวนด์ความเข้มสูงแพร่ผ่านของเหลว คลื่นเหล่านี้สร้างฟองขนาดจุลภาคที่ยุบตัวอย่างรวดเร็ว ทำให้เกิดบริเวณเฉพาะจุดที่มีอุณหภูมิ ความดัน และแรงเฉือนสูงมาก
กระบวนการนี้สร้างสภาวะการผสมอย่างเข้มข้นที่ไม่สามารถทำได้ด้วยการกวนเชิงกลแบบดั้งเดิม ด้วยเหตุนี้ การโซนิเคชันจึงสามารถสลายกลุ่มอนุภาคที่เกาะรวมกัน ลดขนาดอนุภาค และกระจายสารเติมแต่งอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งเมทริกซ์ PCM
งานวิจัยเชิงทดลองเกี่ยวกับระบบกระจายตัวของ PCM แสดงให้เห็นว่าการผสมด้วยอัลตราซาวนด์ทำให้ได้กลุ่มอนุภาคที่เล็กลงอย่างมีนัยสำคัญและส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันมากกว่าการกวนด้วยแม่เหล็ก ส่งผลให้ความเสถียรและความสามารถในการทำซ้ำดีขึ้น
การปรับปรุงเหล่านี้ส่งผลโดยตรงต่อสมรรถนะทางความร้อน เนื่องจากการกระจายตัวที่เป็นเนื้อเดียวกันทำให้การเปลี่ยนเฟสเกิดขึ้นอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้งวัสดุ

เหตุใดการโซนิเคชันจึงช่วยเพิ่มความเสถียรของ PCM

งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าวิธีการผสมมีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งต่อสมรรถนะของ PCM
ตัวอย่างเช่น การทดลองกับระบบกระจายตัวของ PCM ชนิดเกลือไฮเดรตแสดงให้เห็นว่าการผสมด้วยอัลตราซาวนด์เพิ่มความเป็นเนื้อเดียวกันและความเสถียรเมื่อเทียบกับวิธีการผสมแบบดั้งเดิม

การแปรรูปด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงระบบ PCM ผ่านกลไกหลายประการ:

1. ขนาดอนุภาคเล็กลง
   แรงคาวิเทชันทำให้ผลึกหรือกลุ่มอนุภาคขนาดใหญ่แตกเป็นอนุภาคละเอียด
2. การกระจายตัวสม่ำเสมอขึ้น
   อัลตราซาวนด์ทำให้สารเติมแต่ง เช่น สารก่อผลึกและสารเพิ่มความข้น กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอ
3. การตกตะกอนลดลง
   อนุภาคที่ละเอียดกว่าจะคงสภาพแขวนลอยได้นานกว่า
4. สมรรถนะทางความร้อนดีขึ้น
   ระบบที่เป็นเนื้อเดียวกันมีการเปลี่ยนเฟสที่สม่ำเสมอมากขึ้นและกักเก็บความร้อนได้จริงสูงขึ้น

วัสดุเปลี่ยนเฟสที่เสริมสมรรถนะด้วยวัสดุนาโน: การเพิ่มสภาพนำความร้อน

หนึ่งในพัฒนาการที่น่าตื่นเต้นที่สุดในการวิจัย PCM คือการเกิดขึ้นของวัสดุเปลี่ยนเฟสที่เสริมสมรรถนะด้วยวัสดุนาโน (NePCMs) ในระบบเหล่านี้ อนุภาคนาโนถูกเติมลงในเมทริกซ์ PCM เพื่อเพิ่มสภาพนำความร้อนและเร่งการถ่ายเทความร้อน
วัสดุนาโน เช่น กราฟีน ท่อนาโนคาร์บอน และออกไซด์ของโลหะ สามารถเพิ่มอัตราการถ่ายเทความร้อนได้อย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม อนุภาคนาโนมีแนวโน้มเกาะรวมกันเนื่องจากแรงดึงดูดระหว่างอนุภาคที่รุนแรง หากกลุ่มอนุภาคเหล่านี้ไม่ได้รับการกระจายอย่างเหมาะสม ก็จะไม่สามารถเพิ่มสภาพนำความร้อนได้ตามที่คาดหวัง
การแปรรูปด้วยอัลตราซาวนด์มีบทบาทสำคัญอย่างยิ่งในขั้นตอนนี้ แรงคาวิเทชันที่รุนแรงจากการโซนิเคชันสลายกลุ่มอนุภาคนาโนและกระจายอนุภาคอย่างสม่ำเสมอทั่วทั้ง PCM ส่งผลให้ PCMs ที่เสริมสมรรถนะด้วยวัสดุนาโนดูดซับและปล่อยความร้อนได้เร็วขึ้น จึงมีประสิทธิภาพสูงกว่ามากสำหรับการกักเก็บพลังงานความร้อน

การห่อหุ้มในแคปซูลระดับนาโน: การป้องกันการรั่วไหลและการเพิ่มความทนทาน

อีกนวัตกรรมสำคัญที่เกิดขึ้นได้ด้วยการแปรรูปด้วยอัลตราซาวนด์คือการห่อหุ้มวัสดุเปลี่ยนเฟสในแคปซูลระดับนาโน
ใน PCMs ที่ห่อหุ้มในแคปซูลระดับนาโน วัสดุเปลี่ยนเฟสจะถูกห่อหุ้มไว้ภายในเปลือกป้องกัน – ซึ่งมักทำจากพอลิเมอร์ ซิลิกา หรือวัสดุผสมแบบไฮบริด เปลือกนี้ป้องกันการรั่วไหลเมื่อ PCM หลอมเหลวและปกป้องวัสดุจากการเสื่อมสภาพทางเคมี
การโซนิเคชันช่วยให้ผลิตอิมัลชันที่มีหยดละเอียดอย่างยิ่งเพื่อใช้เป็นพื้นฐานสำหรับไมโครแคปซูลและนาโนแคปซูล กระบวนการนี้สร้างหยดที่มีขนาดสม่ำเสมอ ซึ่งต่อมาจะกลายเป็นแกน PCM ขณะที่วัสดุเปลือกเกิดพอลิเมอไรเซชันหรือปฏิกิริยาควบแน่นรอบหยดเหล่านั้น แคปซูลที่ได้มีการกระจายขนาดแคบและมีความเสถียรเชิงกลดีขึ้น
PCMs ที่ห่อหุ้มในแคปซูลเหล่านี้มีการใช้งานเพิ่มขึ้นในงานขั้นสูง ได้แก่ สิ่งทออัจฉริยะ สารเคลือบ การระบายความร้อนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และระบบจัดการความร้อน

ไขพาราฟินในฐานะ PCM: ตัวอย่างการใช้โซนิเคชันในทางปฏิบัติ

วัสดุเปลี่ยนเฟสอินทรีย์ เช่น ไขพาราฟิน มีการใช้งานอย่างแพร่หลายเนื่องจากมีความเสถียรทางเคมี ไม่ก่อการกัดกร่อน และมีอุณหภูมิหลอมเหลวที่เหมาะสม PCMs ที่มีพาราฟินเป็นองค์ประกอบหลักนิยมใช้ในวัสดุอาคาร ระบบพลังงานความร้อนจากแสงอาทิตย์ และเทคโนโลยีควบคุมความร้อน
อย่างไรก็ตาม ไขพาราฟินมีสภาพนำความร้อนค่อนข้างต่ำ และอาจก่อตัวเป็นหยดหรือกลุ่มอนุภาคขนาดใหญ่เมื่อเติมลงในอิมัลชันหรือวัสดุคอมโพสิต การโซนิเคชันเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพสูงในการแก้ปัญหาเหล่านี้
เมื่อแปรรูปไขพาราฟินด้วยอัลตราซาวนด์กำลังสูง แรงคาวิเทชันจะทำให้ไขที่หลอมเหลวแตกเป็นหยดที่ละเอียดอย่างยิ่ง ก่อให้เกิดอิมัลชันหรือระบบกระจายตัวที่เสถียร วิธีนี้ช่วยให้ไขกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอภายในของไหลตัวพาหรือเมทริกซ์พอลิเมอร์ สูตร PCM ที่ได้มีคุณสมบัติการถ่ายเทความร้อนดีขึ้นและมีความเสถียรเพิ่มขึ้นตลอดวัฏจักรการเปลี่ยนเฟสซ้ำ ๆ
การแปรรูปด้วยอัลตราซาวนด์ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตไมโครแคปซูลพาราฟิน โดยห่อหุ้มหยดไขที่หลอมเหลวไว้ภายในเปลือกพอลิเมอร์ แคปซูลเหล่านี้ป้องกันการรั่วไหลระหว่างการหลอมเหลวและช่วยให้นำ PCMs ชนิดพาราฟินไปผสานในวัสดุก่อสร้าง สารเคลือบ หรือสิ่งทอได้

เหตุใดเครื่องโซนิเคเตอร์ Hielscher จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการแปรรูป PCM

อุปกรณ์อัลตราโซนิกกำลังสูงมีความจำเป็นต่อการบรรลุคุณภาพการกระจายตัวที่ต้องการสำหรับสูตร PCM ขั้นสูง Hielscher Ultrasonics ได้ก้าวขึ้นเป็นผู้จัดหาเครื่องแปรรูปอัลตราโซนิกชั้นนำสำหรับทั้งห้องปฏิบัติการวิจัยและการผลิตในระดับอุตสาหกรรม
ระบบ Hielscher ให้การควบคุมแอมพลิจูดอัลตราโซนิก กำลังที่ป้อนเข้า และเวลาแปรรูปอย่างแม่นยำ ช่วยให้นักวิจัยปรับแต่งสูตร PCM ได้อย่างละเอียดและทำซ้ำได้อย่างยอดเยี่ยม เครื่องแปรรูปอัลตราโซนิกของบริษัทสร้างสนามคาวิเทชันที่รุนแรงและสม่ำเสมอ ทำให้ลดขนาดอนุภาค สลายการเกาะกลุ่มของอนุภาค และทำให้เป็นเนื้อเดียวกันได้อย่างมีประสิทธิภาพ
ข้อได้เปรียบสำคัญอีกประการหนึ่งของเทคโนโลยี Hielscher คือความสามารถในการขยายขนาด กระบวนการที่พัฒนาในระบบห้องปฏิบัติการสามารถถ่ายทอดไปยังเครื่องปฏิกรณ์อัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรมได้โดยตรง ช่วยให้ผู้ผลิตเปลี่ยนจากการทดลองขนาดเล็กไปสู่การผลิตเชิงพาณิชย์ได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนพารามิเตอร์พื้นฐานของกระบวนการ
เครื่องแปรรูปอัลตราโซนิก Hielscher ถูกใช้ในการศึกษาทางวิทยาศาสตร์เพื่อเตรียมระบบกระจายตัวของ PCM แล้ว ซึ่งแสดงให้เห็นถึงประสิทธิผลในการผลิตส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันและลดการเกาะกลุ่มของอนุภาค

ความก้าวหน้าในการพัฒนา PCM ด้วยการโซนิเคชัน

เมื่อระบบพลังงานพัฒนาขึ้นและความต้องการการกักเก็บความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้น วัสดุเปลี่ยนเฟสขั้นสูงจะมีบทบาทสำคัญมากขึ้นเรื่อย ๆ สมรรถนะของวัสดุเหล่านี้ขึ้นอยู่ทั้งกับองค์ประกอบทางเคมีและวิธีที่ใช้ในการเตรียมและแปรรูป
การแปรรูปด้วยอัลตราซาวนด์เป็นเครื่องมือที่มีประสิทธิภาพสูงและใช้งานได้หลากหลายสำหรับการควบคุมโครงสร้างจุลภาคของระบบ PCM การโซนิเคชันช่วยให้กระจายตัวได้อย่างสม่ำเสมอ ผสานอนุภาคนาโน และห่อหุ้มในแคปซูลระดับนาโน จึงช่วยเอาชนะข้อจำกัดหลายประการที่ขัดขวางเทคโนโลยี PCM มาโดยตลอด

การแปรรูปด้วยอัลตราซาวนด์กำลังกลายเป็นเทคโนโลยีสำคัญอย่างรวดเร็วที่ช่วยให้พัฒนา PCMs รุ่นถัดไปได้ ได้แก่:

• PCMs ที่เสริมสมรรถนะด้วยวัสดุนาโน
• PCMs ที่ห่อหุ้มในแคปซูลระดับนาโน
• คอมโพสิต PCM ที่มีสภาพนำความร้อนสูง
• อิมัลชันและระบบกระจายตัวของ PCM ที่เสถียร

เครื่องโซนิเคเตอร์ Hielscher สมรรถนะสูงระดับอุตสาหกรรมช่วยให้ขยายขนาดแบบเชิงเส้นไปสู่การผลิตขนาดใหญ่ได้ – จึงเปลี่ยนวัสดุเปลี่ยนเฟสจากวัสดุที่มีศักยภาพในห้องปฏิบัติการให้เป็นทางเลือกที่เชื่อถือได้สำหรับการกักเก็บพลังงานและการจัดการความร้อนสมัยใหม่

วรรณกรรม / เอกสารอ้างอิง

• 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.