Ultratovush energiyani saqlash uchun fazasi oʻzgaradigan materiallarni takomillashtiradi

Energiyani samarali boshqarishga boʻlgan global talab ortib borar ekan, fazasi oʻzgaradigan materiallar (PCMlar) issiqlik energiyasini saqlash uchun kuchli yechim sifatida eʼtiborni tortmoqda. Bu materiallar erish va qotish jarayonida katta miqdordagi issiqlikni yutishi va chiqarishi mumkin, shu sababli ular binolardagi iqlimni boshqarishdan tortib akkumulyatorlarni sovitish va qayta tiklanadigan energiya tizimlarigacha boʻlgan qoʻllanishlar uchun qimmatlidir.
Biroq, istiqbolli xususiyatlariga qaramay, koʻplab PCMlar ularning keng qoʻllanishini cheklaydigan amaliy muammolarga duch keladi. Tadqiqotchilar va muhandislar ushbu toʻsiqlarni yengib oʻtish va fazasi oʻzgaradigan materiallarning toʻliq salohiyatini ochish uchun tobora koʻproq yuqori quvvatli ultratovush bilan ishlov berishga murojaat qilmoqda.
Ultratovush bilan ishlov berish nanozarrachalar bilan yaxshilangan va nanokapsulalangan PCMlarni yaratish imkonini beradi, dispersiya barqarorligini oshiradi va issiqlik koʻrsatkichlarini optimallashtirishga yordam beradi. Natijada, ultratovush bilan ishlov berish ilgʻor PCM tizimlarini ishlab chiqarishning eng samarali texnologiyalaridan biriga aylanmoqda.

PCMlarga ishlov berish uchun UIP2000hdT ultratovushli gomogenizator

Nima uchun fazasi oʻzgaradigan materiallar energiyani saqlashda muhim

Fazasi oʻzgaradigan materiallar energiyani yashirin issiqlik shaklida saqlaydi; bu issiqlik erish paytida yutiladi va material qotganda chiqariladi. Issiqlikni faqat harorat oʻzgarishi hisobiga saqlaydigan anʼanaviy materiallardan farqli ravishda, PCMlar deyarli oʻzgarmas haroratda katta miqdordagi energiyani saqlashi va chiqarishi mumkin.
Bu xususiyat ularni issiqlikni boshqarish tizimlari uchun juda jozibador qiladi. Binolarda PCMlar kunduzi ortiqcha issiqlikni yutib, harorat pasayganda uni chiqarish orqali xona haroratini tartibga solishi mumkin. Qayta tiklanadigan energiya tizimlarida ular quyosh kollektorlaridan olinadigan issiqlik energiyasini saqlashga yordam beradi. Ular elektronikani sovitishda, akkumulyatorlarning issiqlik rejimini boshqarishda va harorati nazorat qilinadigan tashishda ham tobora koʻproq qoʻllanmoqda.
Tuz gidratlari va organik materiallar eng koʻp oʻrganilgan PCMlar qatoriga kiradi. Masalan, Glauber tuzi (natriy sulfat dekagidrati) yuqori erish entalpiyasi va mos fazaviy oʻtish harorati tufayli katta qiziqish uygʻotgan. Ushbu xususiyatlar unga sezilarli miqdordagi issiqlik energiyasini samarali saqlash imkonini beradi.
Shunga qaramay, koʻplab PCM tizimlarida barqarorlik muammolari kuzatiladi; ular keng qoʻllanishidan oldin bu muammolarni hal qilish zarur.

Anʼanaviy PCMlarning davom etayotgan muammolari

Fazasi oʻzgaradigan materiallar katta miqdordagi energiyani saqlashi mumkin boʻlsa-da, ularning amaliy samaradorligi koʻpincha takroriy isitish va sovitish sikllarida materialning qanchalik barqaror qolishiga bogʻliq. Koʻplab PCMlarga fazalarning ajralishi, oʻta sovish va dispersiya barqarorligining pastligi xos boʻlib, bularning barchasi vaqt oʻtishi bilan issiqlik koʻrsatkichlarini yomonlashtirishi mumkin.
Glauber tuzi kabi tuz gidratli tizimlarda bu muammolar ayniqsa yaqqol namoyon boʻladi. Erish paytida turli komponentlar bir-biridan ajralganda fazalarning ajralishi yuz berishi mumkin, oʻta sovish esa materialning kutilgan haroratda kristallanishiga toʻsqinlik qilishi mumkin. Bu issiqlik chiqarilishini kechiktiradi va tizim samaradorligini pasaytiradi.
Yana bir keng tarqalgan muammo – PCM tarkiblariga qoʻshimchalar yoki nanozarrachalar kiritilganda agregatlarning hosil boʻlishidir. Anʼanaviy aralashtirish usullari koʻpincha zarrachalarni bir tekis taqsimlay olmaydi, natijada beqaror dispersiyalar va bir xil boʻlmagan issiqlik xatti-harakati yuzaga keladi.
Ushbu cheklovlarni bartaraf etish uchun tadqiqotchilar materiallarni mikro- va nanomiqyosda dispersiyalashning juda samarali usulini taqdim etadigan ultratovush bilan ishlov berishga tobora koʻproq tayanmoqda.
 

Ultratovush bilan ishlov berish PCM tarkibini qanday yaxshilaydi

Ultratovush bilan ishlov berish yuqori intensivlikdagi ultratovush toʻlqinlari suyuqlik boʻylab tarqalganda yuz beradigan akustik kavitatsiya hodisasiga asoslanadi. Bu toʻlqinlar tezda qulab tushadigan mikroskopik pufakchalarni hosil qilib, nihoyatda yuqori harorat, bosim va siljish kuchlariga ega mahalliy zonalarni yuzaga keltiradi.
Bu jarayon anʼanaviy mexanik aralashtirish orqali erishib boʻlmaydigan jadal aralashtirish sharoitlarini yaratadi. Natijada, ultratovush bilan ishlov berish zarracha aglomeratlarini parchalashi, zarracha oʻlchamini kamaytirishi va qoʻshimchalarni butun PCM matritsasi boʻylab bir tekis taqsimlashi mumkin.
PCM dispersiyalari boʻyicha eksperimental tadqiqotlar ultratovushli aralashtirish magnitli aralashtirishga qaraganda ancha kichik agregatlar va bir jinsliroq aralashmalar hosil qilishini, buning natijasida barqarorlik va natijalarning takrorlanuvchanligi yaxshilanishini koʻrsatadi.
Ushbu yaxshilanishlar issiqlik koʻrsatkichlariga bevosita taʼsir qiladi, chunki bir jinsli dispersiya faza oʻzgarishining butun material boʻylab bir xil kechishini taʼminlaydi.

Nima uchun ultratovush bilan ishlov berish PCM barqarorligini yaxshilaydi

Tadqiqotlar aralashtirish usuli PCM samaradorligida hal qiluvchi rol oʻynashini koʻrsatadi.
Masalan, tuz gidratli PCM dispersiyalari bilan oʻtkazilgan tajribalar ultratovushli aralashtirish anʼanaviy aralashtirish usullariga qaraganda bir jinslilik va barqarorlikni yaxshilaganini koʻrsatdi

Ultratovush bilan ishlov berish PCM tizimlarini bir nechta mexanizm orqali yaxshilaydi:

1. Kichikroq zarracha oʻlchami
   Kavitatsiya kuchlari yirik kristallar yoki agregatlarni mayda zarrachalarga parchalaydi.
2. Dispersiya bir tekisligining yaxshilanishi
   Ultratovush kristallanish markazlarini hosil qiluvchi moddalar va quyuqlashtirgichlar kabi qoʻshimchalarning bir tekis taqsimlanishini taʼminlaydi.
3. Choʻkishning kamayishi
   Maydaroq zarrachalar uzoqroq vaqt muallaq holatda qoladi.
4. Yaxshiroq issiqlik koʻrsatkichlari
   Bir jinsli tizimlarda fazaviy oʻtishlar bir xilroq kechadi va samarali issiqlik saqlash miqdori yuqoriroq boʻladi.

Nanozarrachalar bilan yaxshilangan, fazasi oʻzgaradigan materiallar: issiqlik oʻtkazuvchanligini oshirish

PCM tadqiqotlaridagi eng qiziqarli yutuqlardan biri nanozarrachalar bilan yaxshilangan, fazasi oʻzgaradigan materiallarning (NePCMlar) paydo boʻlishidir. Ushbu tizimlarda issiqlik oʻtkazuvchanligini oshirish va issiqlik uzatishni tezlashtirish uchun nanozarrachalar PCM matritsasiga kiritiladi.
Grafen, uglerod nanonaychalari va metall oksidlari kabi nanomateriallar issiqlik uzatish tezligini sezilarli darajada oshirishi mumkin. Biroq zarrachalar orasidagi kuchli tortishish kuchlari tufayli nanozarrachalar aglomeratsiyalanishga moyil. Agar bu toʻplamlar toʻgʻri dispersiyalanmasa, issiqlik oʻtkazuvchanligining kutilgan yaxshilanishlariga erishib boʻlmaydi.
Bu yerda ultratovush bilan ishlov berish hal qiluvchi rol oʻynaydi. Ultratovush bilan ishlov berish hosil qiladigan kuchli kavitatsiya kuchlari nanozarracha toʻplamlarini parchalaydi va ularni butun PCM boʻylab bir tekis taqsimlaydi. Hosil boʻlgan nanozarrachalar bilan yaxshilangan PCMlar issiqlikni tezroq yutadi va chiqaradi, bu esa ularni issiqlik energiyasini saqlashda ancha samaraliroq qiladi.

Nanokapsulalash: sizib chiqishning oldini olish va chidamlilikni oshirish

Ultratovush bilan ishlov berish imkon yaratadigan yana bir muhim yangilik – fazasi oʻzgaradigan materiallarni nanokapsulalashdir.
Nanokapsulalangan PCMlarda fazasi oʻzgaradigan material himoya qobigʻi ichiga joylashtiriladi – bu qobiq koʻpincha polimerlar, kremniy dioksidi yoki gibrid materiallardan tayyorlanadi. Ushbu qobiq PCM eriganda sizib chiqishning oldini oladi va materialni kimyoviy parchalanishdan himoya qiladi.
Ultratovush bilan ishlov berish mikro- va nanokapsulalar uchun asos boʻlib xizmat qiladigan nihoyatda mayda emulsiyalarni ishlab chiqarish imkonini beradi. Jarayon bir xil tomchilarni hosil qiladi; ular keyinchalik PCM yadrosini shakllantiradi, qobiq materiallari esa ularning atrofida polimerlanadi yoki kondensatsiya reaksiyasiga kirishadi. Hosil boʻlgan kapsulalarning oʻlcham taqsimoti tor va mexanik barqarorligi yaxshilangan boʻladi.
Bunday kapsulalangan PCMlar aqlli toʻqimachilik mahsulotlari, qoplamalar, elektronikani sovitish va issiqlikni boshqarish tizimlari kabi ilgʻor qoʻllanishlarda tobora koʻproq ishlatilmoqda.

PCM sifatida parafin mumi: ultratovush bilan ishlov berishning amaliy misoli

Parafin mumi kabi organik fazasi oʻzgaradigan materiallar kimyoviy barqarorligi, korroziyaga olib kelmasligi va qulay erish haroratlari tufayli keng qoʻllanadi. Parafin asosidagi PCMlar odatda qurilish materiallarida, quyosh issiqlik tizimlarida va haroratni tartibga solish texnologiyalarida ishlatiladi.
Biroq parafin mumining issiqlik oʻtkazuvchanligi ham nisbatan past va u emulsiyalar yoki kompozit materiallarga kiritilganda yirik tomchilar yoki agregatlar hosil qilishi mumkin. Ultratovush bilan ishlov berish ushbu muammolar uchun kuchli yechimni taklif etadi.
Parafin mumiga yuqori quvvatli ultratovush bilan ishlov berilganda, kavitatsiya kuchlari erigan mumni nihoyatda mayda tomchilarga parchalab, barqaror emulsiyalar yoki dispersiyalar hosil qiladi. Bu mumni tashuvchi suyuqlik yoki polimer matritsasi ichida bir tekis taqsimlash imkonini beradi. Hosil boʻlgan PCM tarkiblari yaxshilangan issiqlik uzatish xususiyatlari va takroriy faza oʻzgarish sikllarida yuqoriroq barqarorlikka ega boʻladi.
Ultratovush bilan ishlov berish parafin mikrokapsulalarini ishlab chiqarishda ham keng qoʻllanadi; ularda erigan mum tomchilari polimer qobiqlar ichiga kapsulalanadi. Ushbu kapsulalar erish paytida sizib chiqishning oldini oladi va parafinli PCMlarni qurilish materiallari, qoplamalar yoki toʻqimachilik mahsulotlariga kiritish imkonini beradi.

Nima uchun Hielscher ultratovush qurilmalari PCMlarga ishlov berish uchun ideal

Ilgʻor PCM tarkiblari uchun zarur dispersiyalash sifatiga erishishda yuqori quvvatli ultratovush uskunalari muhim ahamiyatga ega. Hielscher Ultrasonics tadqiqot laboratoriyalari va sanoat ishlab chiqarishi uchun ultratovushli ishlov berish qurilmalarining yetakchi yetkazib beruvchilaridan biriga aylandi.
Hielscher tizimlari ultratovush amplitudasi, kiritiladigan quvvat va ishlov berish vaqtini aniq boshqarishni taʼminlaydi, bu esa tadqiqotchilarga PCM tarkiblarini natijalarning ajoyib takrorlanuvchanligi bilan nozik sozlash imkonini beradi. Ularning ultratovushli ishlov berish qurilmalari kuchli va bir maromdagi kavitatsiya maydonlarini hosil qiladi, bu esa zarracha oʻlchamini samarali kamaytirish, aglomeratlarni parchalash va gomogenizatsiyani taʼminlaydi.
Hielscher texnologiyasining yana bir asosiy afzalligi – miqyosni kengaytirish imkoniyatidir. Laboratoriya tizimlarida ishlab chiqilgan jarayonlarni toʻgʻridan-toʻgʻri sanoat ultratovush reaktorlariga oʻtkazish mumkin, bu ishlab chiqaruvchilarga asosiy jarayon parametrlarini oʻzgartirmasdan kichik miqyosdagi tajribalardan tijoriy ishlab chiqarishga oʻtish imkonini beradi.
Hielscher ultratovushli ishlov berish qurilmalari PCM dispersiyalarini tayyorlash boʻyicha ilmiy tadqiqotlarda allaqachon qoʻllangan va bir jinsli aralashmalarni hosil qilish hamda zarracha agregatlarini kichraytirishdagi samaradorligini namoyish etgan.

Ultratovush bilan ishlov berish orqali PCMlarni ishlab chiqishdagi yutuqlar

Energiya tizimlari rivojlanib, issiqlikni samarali saqlashga talab ortib borar ekan, ilgʻor fazasi oʻzgaradigan materiallar tobora muhimroq rol oʻynaydi. Ushbu materiallarning samaradorligi nafaqat ularning kimyoviy tarkibiga, balki ularni tayyorlash va ularga ishlov berish usullariga ham bogʻliq.
Ultratovush bilan ishlov berish PCM tizimlarining mikrostrukturasini boshqarish uchun kuchli va koʻp qirrali vositani taqdim etadi. Bir tekis dispersiyalar, nanozarrachalarni kiritish va nanokapsulalash imkonini yaratib, ultratovush bilan ishlov berish PCM texnologiyalariga anʼanaviy ravishda toʻsqinlik qilgan koʻplab cheklovlarni yengib oʻtishga yordam beradi.

Ultratovush bilan ishlov berish quyidagi yangi avlod PCMlarini yaratishga imkon beradigan asosiy texnologiyaga tez aylanmoqda:

• Nanozarrachalar bilan yaxshilangan PCMlar
• Nanokapsulalangan PCMlar
• Yuqori issiqlik oʻtkazuvchanlikka ega PCM kompozitlari
• Barqaror PCM emulsiyalari va dispersiyalari

Hielscher kompaniyasining yuqori samaradorlikka ega, sanoat darajasidagi ultratovush qurilmalari ishlab chiqarish miqyosini chiziqli ravishda yirik miqyosgacha kengaytirish imkonini beradi – shu orqali fazasi oʻzgaradigan materiallarni istiqbolli laboratoriya materiallaridan zamonaviy energiya saqlash va issiqlikni boshqarish uchun ishonchli yechimlarga aylantiradi.

Adabiyotlar / Manbalar

• 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.