Công nghệ siêu âm thúc đẩy sự phát triển của vật liệu thay đổi pha trong lưu trữ năng lượng
, Kathrin Hielscher, được đăng trên Hielscher News
Khi nhu cầu toàn cầu về quản lý năng lượng hiệu quả ngày càng tăng, vật liệu thay đổi pha (PCMs) đang thu hút sự chú ý như một giải pháp mạnh mẽ cho lưu trữ năng lượng nhiệt. Những vật liệu này có khả năng hấp thụ và giải phóng lượng nhiệt lớn trong quá trình tan chảy và đông đặc, khiến chúng trở nên hữu ích cho các ứng dụng đa dạng, từ điều hòa không khí trong tòa nhà, làm mát pin đến hệ thống năng lượng tái tạo.
Tuy nhiên, mặc dù có những đặc tính hứa hẹn, nhiều vật liệu thay đổi pha (PCMs) vẫn phải đối mặt với những thách thức thực tế khiến việc ứng dụng rộng rãi của chúng bị hạn chế. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư ngày càng chuyển sang sử dụng công nghệ xử lý siêu âm công suất cao. – còn được gọi là siêu âm – Để vượt qua những rào cản này và khai thác hết tiềm năng của vật liệu thay đổi pha.
Xử lý siêu âm cho phép tạo ra các vật liệu thay đổi nhiệt độ (PCM) được tăng cường nano và bao bọc nano, cải thiện độ ổn định phân tán và giúp tối ưu hóa hiệu suất nhiệt. Do đó, siêu âm đang trở thành một trong những công nghệ hiệu quả nhất để sản xuất các hệ thống PCM tiên tiến.
Tại sao vật liệu thay đổi pha lại quan trọng đối với lưu trữ năng lượng?
Vật liệu thay đổi pha (PCMs) lưu trữ năng lượng dưới dạng nhiệt tiềm ẩn, được hấp thụ trong quá trình tan chảy và giải phóng khi vật liệu đông đặc. Khác với các vật liệu truyền thống chỉ lưu trữ nhiệt thông qua sự thay đổi nhiệt độ, PCMs có thể lưu trữ và giải phóng lượng lớn năng lượng ở nhiệt độ gần như không đổi.
Tính năng này khiến chúng trở nên rất hấp dẫn cho các hệ thống quản lý nhiệt. Trong các tòa nhà, PCMs có thể điều chỉnh nhiệt độ bên trong bằng cách hấp thụ nhiệt dư thừa vào ban ngày và giải phóng nó khi nhiệt độ giảm. Trong các hệ thống năng lượng tái tạo, chúng giúp lưu trữ năng lượng nhiệt từ các bộ thu năng lượng mặt trời. Chúng cũng ngày càng được sử dụng trong làm mát điện tử, quản lý nhiệt pin và vận chuyển có kiểm soát nhiệt độ.
Muối hydrat và các vật liệu hữu cơ là những vật liệu chuyển pha (PCMs) được nghiên cứu rộng rãi nhất. Ví dụ, muối Glauber (natri sunfat decahydrat) đã thu hút sự quan tâm đáng kể nhờ nhiệt độ nóng chảy cao và nhiệt độ chuyển pha phù hợp. Những đặc tính này cho phép nó lưu trữ lượng nhiệt năng đáng kể một cách hiệu quả.
Tuy nhiên, nhiều hệ thống PCM vẫn gặp phải các vấn đề về tính ổn định cần được giải quyết trước khi có thể được áp dụng rộng rãi.
Máy phân tán siêu âm UIP6000hdT cho sản xuất công nghiệp các vật liệu thay đổi pha và chất lỏng truyền nhiệt.
Những thách thức dai dẳng của các chất dẫn nhiệt truyền thống (PCMs)
Mặc dù vật liệu thay đổi pha có thể lưu trữ lượng năng lượng lớn, hiệu suất thực tế của chúng thường phụ thuộc vào mức độ ổn định của vật liệu trong quá trình lặp đi lặp lại các chu kỳ gia nhiệt và làm mát. Nhiều vật liệu thay đổi pha (PCMs) gặp phải các vấn đề như phân tách pha, làm lạnh quá mức và độ ổn định phân tán kém, tất cả đều có thể làm suy giảm hiệu suất nhiệt theo thời gian.
Trong các hệ thống muối hydrat như muối Glauber, các vấn đề này đặc biệt nghiêm trọng. Sự phân tách pha có thể xảy ra khi các thành phần khác nhau tách ra trong quá trình nóng chảy, trong khi hiện tượng làm lạnh quá mức có thể ngăn cản vật liệu kết tinh ở nhiệt độ dự kiến. Điều này làm chậm quá trình giải phóng nhiệt và giảm hiệu suất của hệ thống.
Một vấn đề phổ biến khác là sự hình thành các cụm khi các chất phụ gia hoặc các hạt nano được tích hợp vào công thức PCM. Các phương pháp trộn truyền thống thường không thể phân tán các hạt một cách đồng đều, dẫn đến các hỗn hợp không ổn định và hành vi nhiệt không nhất quán.
Để khắc phục những hạn chế này, các nhà nghiên cứu ngày càng tin tưởng vào công nghệ xử lý siêu âm, một phương pháp cực kỳ hiệu quả để phân tán vật liệu ở cấp độ vi mô và nano.
Cách siêu âm cải thiện công thức PCM
Sonication dựa trên hiện tượng cavitation âm thanh, xảy ra khi sóng siêu âm cường độ cao truyền qua một chất lỏng. Những sóng này tạo ra các bong bóng vi mô, sau đó sụp đổ nhanh chóng, tạo ra các vùng cục bộ có nhiệt độ, áp suất và lực cắt cực cao.
Quá trình này tạo ra điều kiện trộn mạnh mẽ mà không thể đạt được bằng cách khuấy cơ học truyền thống. Do đó, siêu âm có thể phá vỡ các cụm hạt, giảm kích thước hạt và phân phối đều các chất phụ gia trong ma trận PCM.
Nghiên cứu thực nghiệm về các hỗn hợp PCM cho thấy rằng quá trình trộn bằng sóng siêu âm tạo ra các cụm nhỏ hơn đáng kể và hỗn hợp đồng nhất hơn so với trộn bằng từ trường, dẫn đến sự ổn định và độ tái hiện tốt hơn.
Những cải tiến này có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất nhiệt, vì sự phân tán đồng nhất đảm bảo rằng quá trình chuyển pha diễn ra một cách nhất quán trên toàn bộ vật liệu.
Tại sao siêu âm cải thiện độ ổn định của PCM?
Nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp trộn đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất của PCM.
Ví dụ, các thí nghiệm với dung dịch phân tán PCM muối-hydrat đã cho thấy rằng phương pháp trộn siêu âm cải thiện độ đồng nhất và độ ổn định so với các phương pháp trộn truyền thống.
Xử lý siêu âm cải thiện hệ thống PCM thông qua một số cơ chế:
- Kích thước hạt nhỏ hơn
Lực cavitation làm vỡ các tinh thể lớn hoặc các cụm tinh thể thành các hạt nhỏ. - Độ đồng đều của sự phân tán được cải thiện
Siêu âm đảm bảo các chất phụ gia như chất tạo hạt và chất làm đặc được phân bố đều. - Giảm lắng đọng
Các hạt nhỏ hơn sẽ lơ lửng trong không khí lâu hơn. - Hiệu suất nhiệt tốt hơn
Các hệ thống đồng nhất thể hiện các quá trình chuyển pha nhất quán hơn và khả năng lưu trữ nhiệt hiệu quả cao hơn.
Máy sonicator để bàn UIP1000hdT Để phân tán các chất dẫn nhiệt pha (PCMs)
Vật liệu thay đổi pha được tăng cường nano: Nâng cao độ dẫn nhiệt
Một trong những phát triển đáng chú ý nhất trong nghiên cứu vật liệu thay đổi pha (PCM) là sự xuất hiện của vật liệu thay đổi pha được tăng cường bằng nano (NePCMs). Trong các hệ thống này, các hạt nano được tích hợp vào ma trận PCM để tăng cường độ dẫn nhiệt và đẩy nhanh quá trình truyền nhiệt.
Các vật liệu nano như graphene, ống nano carbon và oxit kim loại có thể cải thiện đáng kể tốc độ truyền nhiệt. Tuy nhiên, các hạt nano có xu hướng kết tụ do lực hút mạnh giữa các hạt. Nếu các cụm này không được phân tán đúng cách, sự cải thiện mong đợi về độ dẫn nhiệt sẽ không thể đạt được.
Xử lý siêu âm đóng vai trò quan trọng trong quá trình này. Lực cavitation mạnh mẽ do siêu âm tạo ra làm vỡ các cụm hạt nano và phân bố chúng đều đặn trong vật liệu lưu trữ nhiệt (PCM). Các vật liệu PCM được tăng cường nano này có khả năng hấp thụ và giải phóng nhiệt nhanh hơn, khiến chúng trở nên hiệu quả hơn nhiều trong các ứng dụng lưu trữ năng lượng nhiệt.
Nano-bao bọc: Ngăn chặn rò rỉ và nâng cao độ bền
Một cải tiến quan trọng khác được thực hiện nhờ công nghệ xử lý siêu âm là quá trình nano-bao bọc các vật liệu thay đổi pha.
Trong các vật liệu thay đổi pha (PCM) được nano-bao bọc, vật liệu thay đổi pha được bao bọc bên trong một lớp vỏ bảo vệ – thường được làm từ polymer, silica hoặc vật liệu hỗn hợp. Lớp vỏ này ngăn chặn sự rò rỉ khi PCM tan chảy và bảo vệ vật liệu khỏi sự phân hủy hóa học.
Sonication cho phép sản xuất các emulsion cực kỳ mịn, làm nền tảng cho việc tạo ra các vi và nano-capsule. Quá trình này tạo ra các giọt đồng nhất, sau đó hình thành lõi PCM, trong khi các vật liệu vỏ polymer hóa hoặc kết tụ xung quanh chúng. Các capsule kết quả có phân bố kích thước hẹp và độ ổn định cơ học được cải thiện.
Các PCM được bao bọc như vậy ngày càng được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng tiên tiến, bao gồm vải thông minh, lớp phủ, làm mát điện tử và hệ thống quản lý nhiệt.
Sáp paraffin như một chất thay đổi pha (PCM): Một ví dụ thực tiễn về siêu âm
Các vật liệu thay đổi pha hữu cơ như sáp paraffin được sử dụng rộng rãi nhờ tính ổn định hóa học, không ăn mòn và nhiệt độ nóng chảy thuận lợi. Các vật liệu thay đổi pha dựa trên paraffin (PCMs) thường được ứng dụng trong vật liệu xây dựng, hệ thống nhiệt mặt trời và công nghệ điều chỉnh nhiệt độ.
Tuy nhiên, sáp paraffin cũng có độ dẫn nhiệt tương đối thấp và có thể tạo thành các giọt lớn hoặc các cụm khi được tích hợp vào các hỗn hợp hoặc vật liệu composite. Công nghệ siêu âm cung cấp một giải pháp mạnh mẽ cho những thách thức này.
Khi sáp paraffin được xử lý bằng sóng siêu âm công suất cao, lực cavitation làm vỡ sáp nóng chảy thành các giọt cực nhỏ, tạo ra các hỗn hợp ổn định hoặc phân tán. Điều này cho phép sáp được phân bố đều trong dung môi mang hoặc ma trận polymer. Các công thức PCM thu được có tính chất truyền nhiệt được cải thiện và độ ổn định cao hơn trong các chu kỳ thay đổi pha lặp đi lặp lại.
Xử lý siêu âm cũng được sử dụng rộng rãi để sản xuất các vi hạt paraffin, trong đó các giọt sáp nóng chảy được bao bọc bên trong vỏ polymer. Các vi hạt này ngăn chặn sự rò rỉ trong quá trình nóng chảy và cho phép paraffin PCMs được tích hợp vào vật liệu xây dựng, lớp phủ hoặc vải.
Tại sao máy siêu âm Hielscher là lựa chọn lý tưởng cho quá trình xử lý PCM?
Thiết bị siêu âm công suất cao là yếu tố quan trọng để đạt được chất lượng phân tán cần thiết cho các công thức PCM tiên tiến. Hielscher Ultrasonics đã trở thành nhà cung cấp hàng đầu về các thiết bị siêu âm cho cả phòng thí nghiệm nghiên cứu và sản xuất công nghiệp.
Hệ thống Hielscher cung cấp khả năng kiểm soát chính xác độ lớn sóng siêu âm, công suất đầu vào và thời gian xử lý, cho phép các nhà nghiên cứu tinh chỉnh công thức PCM với độ tái hiện xuất sắc. Các bộ xử lý siêu âm của họ tạo ra các trường cavitation mạnh mẽ và ổn định, đảm bảo quá trình giảm kích thước hạt, tách cụm và đồng nhất hóa diễn ra hiệu quả.
Một ưu điểm quan trọng khác của công nghệ Hielscher là khả năng mở rộng quy mô. Các quy trình được phát triển trong hệ thống phòng thí nghiệm có thể được chuyển đổi trực tiếp sang các phản ứng siêu âm công nghiệp, cho phép các nhà sản xuất chuyển từ thí nghiệm quy mô nhỏ sang sản xuất thương mại mà không cần thay đổi các thông số quy trình cơ bản.
Các thiết bị siêu âm Hielscher đã được sử dụng trong các nghiên cứu khoa học để chuẩn bị các dung dịch PCM, chứng minh hiệu quả của chúng trong việc tạo ra các hỗn hợp đồng nhất và giảm các cụm hạt.
Các tiến bộ trong phát triển PCM bằng phương pháp siêu âm
Khi hệ thống năng lượng phát triển và nhu cầu về lưu trữ nhiệt hiệu quả ngày càng tăng, các vật liệu thay đổi pha tiên tiến sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng. Hiệu suất của các vật liệu này không chỉ phụ thuộc vào thành phần hóa học của chúng mà còn phụ thuộc vào các phương pháp được sử dụng để chuẩn bị và xử lý chúng.
Xử lý siêu âm cung cấp một công cụ mạnh mẽ và đa năng để kiểm soát cấu trúc vi mô của các hệ thống vật liệu thay đổi pha (PCM). Bằng cách cho phép phân tán đồng đều, tích hợp hạt nano và bao bọc nano, siêu âm giúp vượt qua nhiều hạn chế truyền thống đã cản trở sự phát triển của công nghệ PCM.
Xử lý siêu âm đang nhanh chóng trở thành công nghệ then chốt cho các vật liệu chuyển pha thế hệ mới (PCMs), bao gồm:
- PCMs được tăng cường bằng nano
- PCMs được bao bọc bằng nano
- Vật liệu composite PCM có độ dẫn nhiệt cao
- Các nhũ tương và phân tán PCM ổn định
Các máy siêu âm công nghiệp cao cấp của Hielscher cho phép mở rộng quy mô tuyến tính lên sản xuất quy mô lớn - từ đó biến các vật liệu thay đổi pha từ các vật liệu đầy hứa hẹn trong phòng thí nghiệm thành các giải pháp đáng tin cậy cho lưu trữ năng lượng hiện đại và quản lý nhiệt.
Các vật liệu thay đổi pha thông dụng, tính chất của chúng và tác động của siêu âm
| Vật liệu thay đổi pha | Sử dụng thông thường / Lưu ý | Lợi ích đạt được nhờ siêu âm |
|---|---|---|
| sáp parafin (ví dụ: paraffin RT, paraffin kỹ thuật) | PCM hữu cơ; được sử dụng rộng rãi trong vật liệu xây dựng, gói cách nhiệt và làm mát điện tử. |
Sonication tạo ra các phân tán/hỗn hợp sáp trong nước (hoặc sáp trong polymer) mịn và ổn định, giảm kích thước giọt. Cải thiện độ đồng nhất, hỗ trợ quá trình vi/nano bao bọc và cho phép phân bố chất độn tốt hơn để tăng tốc độ truyền nhiệt. |
| Axit béo (ví dụ: axit lauric, axit myristic, axit palmitic, axit stearic) | PCM hữu cơ; có độ ổn định tốt trong quá trình tuần hoàn, được sử dụng trong xây dựng và điều hòa nhiệt độ. |
Phương pháp emulsification bằng sóng siêu âm cải thiện độ ổn định pha và giảm hiện tượng tách lớp; giúp phân tán các chất tăng cường độ dẫn nhiệt. (ví dụ: chất phụ gia carbon) phân bố đều hơn để cải thiện tốc độ sạc/xả. |
| Muối hydrat (ví dụ: natri sunfat decahydrat / muối Glauber, CaCl)2· 6 giờ2O) | Nhiệt tiềm ẩn cao; hấp dẫn cho hệ thống lưu trữ nhiệt (TES) nhưng dễ bị phân tầng và làm lạnh quá mức. |
Sonication cải thiện chất lượng phân tán và có thể giảm kích thước hạt so với khuấy truyền thống, hỗ trợ tạo ra các hỗn hợp đồng nhất hơn. Trong một nghiên cứu về sự phân tán của muối Glauber, siêu âm được chọn là phương pháp hiệu quả hơn so với khuấy từ trong việc giảm các cụm kết tụ. Và trình tự chuẩn bị có ảnh hưởng mạnh mẽ đến tính đồng nhất và ổn định. |
| Polyethylene glycol (PEG) (ví dụ: PEG 600–6000) | PCM hữu cơ; dải nhiệt độ nóng chảy có thể điều chỉnh; được sử dụng trong vật liệu composite và hệ thống bao bọc. |
Sonication cải thiện quá trình trộn vào ma trận polymer, hỗ trợ hình thành các giọt PCM đồng nhất cho quá trình bao bọc. và cải thiện sự phân tán của các hạt nano (PCMs được tăng cường bằng nano) để tăng cường độ dẫn nhiệt hiệu quả. |
| Cồn đường (ví dụ: erythritol, xylitol, mannitol) | Chất dẫn nhiệt có nhiệt độ cao (PCMs); thu hồi nhiệt thải công nghiệp, lưu trữ nhiệt độ cao. |
Xử lý siêu âm giúp tăng cường quá trình tách cụm của các chất tạo hạt/chất độn nhiệt, cải thiện độ đồng nhất của các hỗn hợp/bùn. và có thể hỗ trợ quá trình kết tinh ổn định hơn trong các hệ thống được pha chế (đặc biệt khi kết hợp với các chất tạo hạt). |
| Dầu sinh học / este (ví dụ: các sản phẩm từ dầu cọ, este béo) | Chất dẫn nhiệt hữu cơ tái tạo (PCMs); ứng dụng trong xây dựng và đóng gói. |
Siêu âm cải thiện quá trình nhũ hóa và ổn định các hỗn hợp phân tán, cho phép phân bố các giọt nhỏ mịn. Dễ dàng tích hợp vào các lớp phủ/polymer và sản xuất composite PCM có độ tái hiện cao hơn. |
| Chất dẫn nhiệt eutectic (hỗn hợp hữu cơ–hữu cơ, hỗn hợp muối hydrat) | Điểm nóng chảy thiết kế; được sử dụng khi cần một nhiệt độ chuyển tiếp chính xác. |
Kỹ thuật trộn siêu âm giúp tăng tốc quá trình đồng nhất hóa của các hỗn hợp đa thành phần, giảm các gradient thành phần cục bộ. Cải thiện khả năng phân tán của các chất ổn định/chất tạo hạt, và hỗ trợ hành vi thay đổi pha ổn định trong quá trình chu kỳ. |
| PCMs được bao bọc (paraffin vi/nano bao bọc, muối hydrat) | Ngăn ngừa rò rỉ; dễ dàng tích hợp vào vải, lớp phủ, tấm tường và chất lỏng. |
Sonication cho phép tạo ra các nanoemulsion ổn định và phân bố kích thước giọt hẹp, điều này dẫn đến kích thước viên nang đồng đều hơn. Hiệu suất bao bọc được cải thiện, giảm rò rỉ và phản ứng nhiệt độ dự đoán được hơn. |
| PCMs được tăng cường bằng nano (PCM + graphene/CNT/oxit kim loại) | Được thiết kế để có độ dẫn nhiệt hiệu quả cao hơn và trao đổi nhiệt nhanh hơn. |
Quá trình tách cụm do hiện tượng cavitation giúp phân tán các hạt nano đều hơn, từ đó tăng cường các đường dẫn truyền nhiệt hiệu quả. Giảm thiểu rủi ro lắng đọng (với công thức phù hợp) và cải thiện tính lặp lại giữa các mẻ sản xuất. |
Văn học / Tài liệu tham khảo
- 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.
Các câu hỏi thường gặp
Ứng dụng của vật liệu thay đổi pha là gì?
Vật liệu thay đổi pha (PCMs) được sử dụng rộng rãi trong lưu trữ năng lượng nhiệt và điều chỉnh nhiệt độ. Khả năng hấp thụ và giải phóng lượng nhiệt tiềm ẩn lớn trong quá trình chuyển pha khiến chúng trở nên hữu ích trong điều hòa không khí tòa nhà, lưu trữ năng lượng nhiệt mặt trời, thu hồi nhiệt thải công nghiệp, quản lý nhiệt cho pin và thiết bị điện tử, vận chuyển có kiểm soát nhiệt độ, vải có khả năng điều chỉnh nhiệt độ, và bao bì y tế hoặc thực phẩm nơi cần duy trì nhiệt độ ổn định.
Các vật liệu thay đổi pha nào được sử dụng trong xây dựng và kiến trúc?
Trong các ứng dụng xây dựng, các vật liệu lưu trữ nhiệt (PCMs) phổ biến nhất bao gồm sáp paraffin, axit béo, muối hydrat (như natri sunfat decahydrat hoặc canxi clorua hydrat) và polyethylene glycol (PEG). Các vật liệu này thường được tích hợp vào tấm thạch cao, tấm tường, vật liệu cách nhiệt và composite bê tông. Các PCM hữu cơ như paraffin đặc biệt phổ biến vì chúng có tính ổn định hóa học và không ăn mòn, trong khi muối hydrat được ưa chuộng nhờ khả năng lưu trữ nhiệt tiềm ẩn cao.
Chất liệu thay đổi pha nào có khả năng lưu trữ năng lượng cao nhất?
Trong số các vật liệu lưu trữ nhiệt (PCMs) được sử dụng phổ biến, các hợp chất muối hydrat và một số PCMs kim loại hoặc vô cơ có khả năng lưu trữ nhiệt tiềm ẩn cao nhất. Các hợp chất muối hydrat như natri sunfat decahydrat (muối Glauber) có thể lưu trữ hơn 200–250 kJ/kg nhiệt tiềm ẩn, khiến chúng trở nên rất hiệu quả cho việc lưu trữ năng lượng nhiệt. Một số cồn đường, như erythritol, cũng có khả năng lưu trữ nhiệt tiềm ẩn rất cao ở nhiệt độ chuyển pha cao.
Các vật liệu thay đổi pha có được sử dụng trong điện tử không?
Đúng vậy, vật liệu thay đổi pha (PCM) ngày càng được sử dụng rộng rãi trong quản lý nhiệt cho thiết bị điện tử. PCM được tích hợp vào bộ tản nhiệt, bộ pin và mô-đun làm mát để hấp thụ tải nhiệt đỉnh và ngăn chặn quá nhiệt của các thành phần nhạy cảm. Trong quá trình hoạt động, PCM tan chảy và hấp thụ nhiệt dư thừa, giúp ổn định nhiệt độ thiết bị và nâng cao độ tin cậy cũng như tuổi thọ của các hệ thống điện tử như bộ xử lý, đèn LED và pin lithium-ion.
Hielscher Ultrasonics sản xuất homogenizers siêu âm hiệu suất cao từ phòng thí nghiệm đến quy mô công nghiệp.




