مواد تغییر فازدهنده pcm

انرژی حرارتی را به دو صورت انرژی گرمایی محسوس و نهان می‌توان در مواد ذخیره نمود. در ذخیره انرژی محسوس انرژی حرارتی با افزایش دمای جسم جامد یا مایع در آن ذخیره می‌شود. میزان انرژی محسوس ذخیره شده در جسم تابعی از دما، ظرفیت گرمایی ویژه و مقدار جسم می‌باشد. ذخیره انرژی گرمایی توسط جسم به صورت نهان به هنگام تغییر فاز جسم از حالت جامد به مایع یا مایع به گاز و یا جامد به جامد صورت می‌گیرد. مواد تغییر فاز دهنده انرژی را به صورت گرمای نهان ذوب ذخیره می‌کنند. همان طور که گفته شد ذخیره‌سازی گرما از سه طریق تغییر فاز صورت می‌گیرد، در حالت اول که تغییر فاز از جامد به جامد است به دلیل اینکه انتقال گرما بسیار آهسته و اندک می‌باشد مناسب نیست. در حالت دوم یعنی تغییر فاز از مایع به گاز هم به دلیل نیاز به گرما و حرارت بالا و همچنین ایجاد حجم فشار بالای گاز عملی نمی‌باشد. اما تغییر فاز از جامد به مایع مناسب‌تر است که این ویژگی در مواد تغییر فاز دهنده pcm وجود دارد، که در دمای ثابت با جذب گرما از فاز جامد به مایع تبدیل می‌شوند. این مواد انرژی را تقریباً در همان دمایی که جذب می‌کنند، آزاد نیز می‌کنند. pcm در دمای اتاق جامد هستند.

ویژگی ها

1. در شاخه مهندسی از مواد تغییر فاز دهنده برای بکارگیری و ذخیره انرژی استفاده می‌شود.

2. مناسب برای حفظ دمای آسایش

3. این مواد تمایل به افزایش ذخیره‌سازی حرارت ده برابر بیشتر از آب و سنگ و زمین دارند.

4. ازنظر شیمیایی پایدارند.

5. قابل بازیافت هستند.

6. غیر واکنش پذیرند.

7. دارای طول عمر

طراحی با مواد تغییر فاز

در طراحی هر سیستم ذخیره انرژی که بر مبنای مواد تغییر فاز دهنده عمل می‌کند، بایستی حداقل سه مورد زیر در نظر گرفته شود:

1. ماده pcm مناسب با دمای ذوب مورد نظر

2. مبدل حرارتی با سطح تبادل حرارتی مناسب

3. محفظه نگهدارنده pcm که قابلیت جذب تغییرات حجم pcm به هنگام تغییر فاز را داشته باشد و سازگار با آن نیز باشد.

استفاده از مواد ذخیره کننده انرژی و تغییر فاز دهنده در آجر موجب کاهش مصرف انرژی می‌شود. نکته لازم به توجه آنکه برای دستیابی به کارایی بهتر باید دمای ذوب مواد مورد نظر در محدوده دمای کاری باشد تا علاوه بر خاصیت عایق بودن آنها بتوان از خواص تغییر فاز نیز استفاده کرد. استفاده از مواد تغییر فاز دهنده میزان شار حرارتی ورودی به ساختمان را تا ۳۸ درصد کاهش می‌دهد. همچنین افزایش تعداد حفرههای مواد تغییر فاز دهنده در آجر موجب کاهش ۱۱ درصدی شار حرارتی و بار سرمایشی می‌شود.

انواع مواد تغییر فاز دهنده

PCM های آلی را می‌توان به گروه پارافین ها (ذخیره آلکان ها) و غیرپارافین ها مانند استرها، اسیدهای چرب، الکل ها و گیلکولیک اسیدها تقسیم بندی نمود. دی هیدرات، سولفات سدیم، هگزاهیدرات کلرایدکلسیم و پارافین جز مهمترین PCM ها هستند. PCM ها را بر اساس دمای تغییر فاز، به سه دسته مهم می‌توان تقسیم نمود که عبارتند از: یوتکتیک، هیدرات نمک ها و مواد آلی. یوتکتیک ها نمک های محلول در آب هستند که دمای تغییر فاز آنها کمتر از است و هیدرات نمک ها، نمک های خاصی هستند که دمای تغییر فاز آنها بالای است. مواد آلی نیز معمولاً از زنجیره های بلند کربن و هیدرو‍ژن تشکیل شده اند که دمای تغییر فاز آنها نیز بالای است. برایکاربردهای تجاری و صنعتی، مواد تغییر فاز دهنده برای داخل یک پوشش آب بندی شده قرار گیرند. دمای کاری متداول ترین PCM ها بین 40- تا 117+ درجه سانتیگراد است. این مواد را می توان به صورت صفحه، لوله و یا کره، با پوششی از جنس لی اتیلن بسته بندی نمود. با استفاده از محصول نامبرده می‌توان مخزن جاذب انرژی حرارتی ساخت و PCM های بسته بندی شده را در آنها قرار داد که حرارت را به سیال موجودی در سیستم، که می‌تواند هوا و یا آب باشد، منتقل کند. باید بین بسته‌های PCM فاصله باشد تا سیال مذکور به راحتی در فواصل آنها جریان یابد و تبادل انرژی حرارتی انجام شود.

کاربرد PCM

PCMها با توجه به دمای تغییر حالتشان کاربردهای متنوعی پیدا کرده اند. موادی که زیر 15 ذوب می‌شوند، برای خنک کردن و تهویه هوای اتاق قابلیت استفاده دارند. موادی که بالای  90 ذوب می شوند، برای کاهش دما در جاهایی که دما ممکن است به طور ناگهانی بالا رود کاربرد دارند و مانع آتش‌سوزی می‌شوند. سایر PCM ها که دمای ذوبشان بین این دو مقدار است برای ذخیره سازی انرژی خورشیدی کاربرد دارند. PCMها برای سرد و گرم کردن در مقیاس کوچک نیز کاربردهای ویژه‌ای دارند؛ به عنوان مثال می‌توان تری هیدرات استات سدیم برای گرم کننده‌های دست در زمستان، یا اجاق‌های گرم کننده غذا که در آن یک لایه PCM به کار رفته است را نام برد.

کاربرد فناوری نانو در ذخیره کننده های انرژی حرارتی

توسعه فناوری نانو موجب پیدایش دسته ای از مواد نانوساختار با کارایی بالا شده است که قابلیت جذب انرژی حرارتی و آزادسازی آن در زمان نیاز را دارند و به مرور کاربردهای صنعتی یافته‌اند.

نانو و میکروکپسوله کردن

در برخی موارد، مواد ذخیره کننده حرارت با ابعاد میکرونی یا میلیمتری هستند که معمولاً ساختار هسته-پوسته دارند. هسته ممکن است از نانوکامپوزیت تشکیل شده باشد که یک بخش شامل ماده تغییر فاز دهنده و کسر کوچکی از مواد با قابلیت هدایت حرارتی بسیار بالا و نانوذراتی با نقطه ذوب بالاتر نسبت به مواد تغییرفاز دهنده، هستند. پوسته نیز از لایه نازکی از نانوذرات خنثی با قابلیت هدایت بالا است. ماده تغییر فاز دهنده در هسته می‌تواند در حین تغییر حالت جامد، مایع، انرژی نهان حرارتی را جذب و آزاد سازد. میکروکپسول می‌تواند به صورت کروی باشد و دیواره هسته را بپوشاند. سیستم مذکور امکان جابجایی مواد گازی و مایع را به شکل یک جامد فراهم میسازد و همچنین مواد سمی و خطرناک را نیز به راحتی میتوان با کپسوله کردن جابجا نمود. نوع میکروکپسول عمدتاً به جنس هسته و نحوه تولید پوسته بستگی دارد. انواع کپسول‌ها عبارتند از تک هسته؛ که هسته توسط پوسته احاطه شده است، چند هسته؛ که تعداد زیادی هسته داخل یک پوسته قرار دارند و ماده زمینه؛ که ماده هسته به طور یکنواخت در ماده پوسته توزیع شده است. به عنوان یک مثال از روش سنتز این دسته از مواد، میتوان ماده تغییرفاز دهنده n_octadevane را به وسیله polyuria کپسوله نمود. برای این کار از روش شیمیایی شامل پلیمریزاسیون استفاده می‌شود و یک مونومر محلول در روغن و چند مونومر آمینی محلول در آب به محلول اضافه می شوند.

کاربرد PCM کپسوله شدن در ساختمان

دیواره‌های پیش ساخته ارزان قیمت بوده و کاربرد زیادی در ساختمان سازی دارند و به راحتی میتوان از PCM در آن استفاده نمود که این امر باعث می‌شود که دور تا دور فضای داخلی ساختمان با مخازن ذخیره کننده انرژی حرارتی پوشیده شود. کارایی دیوارهای PCM به چند عامل بستگی دارد که عبارتند از دمای ذوب PCM، محدوده تغییرات دمای دیوار، ظرفیت گرمایی به ازای واحد سطح دیوار، نحوه اعمال PCM به داخل دیوار و شرایط آب و هوایی. استفاده از این دیواره‌ها مانع افزاش دمای محیط داخل ساختمان می‌شود و دما را متعادل نگه می‌دارد. در بسیاری از مناطق دنیا، بتن برای ساخت بناهای مسکونی و تجاری کاربرد وسیعی دارد. بتن به دلیل ظرفیت گرمایی نسبتاً بالا، در طول روز مقدار زیادی گرما از خورشید جذب می‌کند و در هنگام شب این گرما را به ساختمان می‌دهد. برای افزایش ظرفیت گرمایی بتن می‌توان PCMها را داخل آن تعبیه نمود.