مواد تغییر فاز دهنده

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

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.[۱]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 ا 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 مناسب تر 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.[۲] این مواد انرژی را تقریباً در همان دمایی که جذب می‌کنند، آزاد نیز می‌کنند.[۱] pcm در دمای اتاق جامد هستند.

ویژگی ها[ویرایش]

  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[۳]

دسته بندی[ویرایش]

  1. پارافین و اسیدهای چرب
  2. مواد معدنی، هیدرات‌های نمک
  3. مواد ترکیبی
  4. مواد جاذب رطوبت

پارافین و اسیدهای چرب[ویرایش]

مزایای استفاده: منجمد شدن بدون سرد کردن بسیار، قابلیت ذوب، سازگاری با مواد ساخت و ساز، دارای خواص شیمیایی ثابت، داشتن دمای جوش بالا، امن، قابل بازیافت و..[۲] معایب: تغییر حجم بسیار بالا، بسیار خنک‌کننده و..

مواد ترکیبی[ویرایش]

مزایای استفاده: دارای نقطه ذوب بالا، چگالی ذخیره‌سازی حجمی بالاتر از ترکیبات آلی معایب: آمار و اطلاعات کمی در مورد خواص ترموفیزیکی آن موجود است و استفاده از این مواد بسیار جدید نیازمند افزار ذخیره‌سازی حرارتی هستند.[۴]

مواد جاذب رطوبت[ویرایش]

بسیاری از مواد طبیعی ساختمان رطوبت گیر هستند، که گرمازا و گرماگیر هستند.

طراحی با مواد تغییر فاز[ویرایش]

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

  • ماده pcm مناسب با دمای ذوب مورد نظر
  • مبدل حرارتی با سطح تبادل حرارتی مناسب
  • 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[ویرایش]

PCM های آلی را می توان 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 می توان 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 مطابق شکل 1 به صورت صفحه، لوله و یا کره، با پوششی ا ز جنس لی اتیلن بسته بندی نمود. با استفاده از محصول نامبرده می تان 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 می تواند هوا و یا آب باشد، منتقل کند. باید بین بسته های PCM فاصله باشد تا سیال مذکور به راحتی در فواصل آنها جریان یابد و تبادل انرژی حرارتی انجام شود.ref<شیخ جابری، فریبا، (1390) استفاده از فناوری نانو در ذخیره سازی انرژی حرارتی،ماهنامه فناوری نانو،شماره 4،>

کاربرد PCM[ویرایش]

PCM ها با توجه به دمای تغییر حالتشان کاربردهای متنوعی پیدا کرده اند. موادی که زیر ؟؟؟ 15 ذوب می شوند، 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 آتش سوزی می شوند. 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 ویژه ای دارند؛ به عنوان مثال می توان تری هیدرات استات سدیم برای گرم کننده های دست در زمستان، یا اجاق های گرم کننده غذا که در آن یک لایه PCM به کار رفته است را نام برد. شکل 2.الف یک اجاق گرم کننده پیتزا را نشان می دهد که در آن از یک لایه PCM استفاده شده است که با مقاومت های به کار رفته شارژ می شود و در زمان لازم برای جلوگیری از سرد شدن غذا تغییر فاز داده گرمای خود رابه غذا می دهد. هم چنین یک PCM که برای گرم کردن دست در فصول سرد سال کاربرد دارد در مرحله تغییر فاز در شکل 2.ب دیده می شود.ref<شیخ جابری، فریبا، (1390) استفاده از فناوری نانو در ذخیره سازی انرژی حرارتی،ماهنامه فناوری نانو،شماره 4،>

کاربرد فناوری نانو در ذخیره کننده های انرژی حرارتی[ویرایش]

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 یافته اند.

نانو و میکروکپسوله کردن[ویرایش]

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 می تواند در حین تغییر حالت جامد-مایع، انرژی نهان حرارتی را جذب و آزاد سازد. میکروکپسول می تواند به صورت کروی باشد و دیواره هسته را بپوشاند. (مطابق شکل 3) سیستم مذکور امکان جابجایی مواد گازی و مایع را به شکل یک جامد فراهم می سازد و همچنین مواد سمی و خطرناک را نیز به راحتی می توان با کپسوله کردن جابجا نمود. نوع میکروکپسول عمدتاً به جنس هسته و نحوه تولید پوسته بستگی دارد. شکل 4 انواع کپسول ها را نشان می دهد که 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، می توان ماده تغییرفاز دهنده n_octadevane را به وسیله polyuria کپسوله نمود. برای این کار از روش شیمیایی شامل پلیمریزاسیون استفاده می شود و یک مونومر محلول در روغن و چند مونومر آمینی محلول در آب به محلول اضافه می شوند. در شکل 5 نمای شماتیک فرایند نشان داده شده است.ref<شیخ جابری، فریبا، (1390) استفاده از فناوری نانو در ذخیره سازی انرژی حرارتی،ماهنامه فناوری نانو،شماره 4،>

کاربرد PCM کپسوله شدن در ساختمان[ویرایش]

دیواره های پیش ساخته ارزان قیمت بوده و کاربرد زیادی در ساختمان سازی دارند و به راحتی می توان از PCM در آن استفاده نمود که این امر باعث می شود 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 دیواره ها مانع افزاش دمای محیط داخل ساختمان می شود و دما را متعادل نگه می دارد. 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 می کند و در هنگام شب این گرما را به ساختمان می دهد. برای افزایش ظرفیت گرمایی بتن می توان PCM ها را داخل آن تعبیه نمود.

نانوالیاف کربنی[ویرایش]

مواد تغییر فاز دهنده خواص فیزیکی حرارتی ضعیفی دارند، مانند ظرفیت گرمای ویژه و رسانایی حرارتی کم؛ یکی از این مواد متداول عبارت است از نمک های یوتکتیک فلزات قلیایی مانند نیترات، کلراید و کربنات سدیم، پتاسیم، لیتیم و کلسیم. با استفاده از وارد کردن نانومواد به داخل مواد مذکور می توان خواص حرارتی آنها را بهبود بخشید. به عنوان مثال می توان از نانوالیاف کربنی که مقاومت بالایی در برابر خوردگی شیمیایی دارند و با بیشتر PCM ها سازگاری دارند، استفاده نمود. رسانایی حرارتی الیاف کربنی به میزان قابل توجهی بالاست و چگالی آن ها کمتر از kg/m3 2260 است که بسیار سبک تر از فلزات هستند و به عنوان افزودنی کاربرد یافته اند.ref<شیخ جابری، فریبا، (1390) استفاده از فناوری نانو در ذخیره سازی انرژی حرارتی،ماهنامه فناوری نانو،شماره 4،>

نانوگرافیت[ویرایش]

گرافیت با حفره های نانومتری می تواند به عنوان محیطی برای اعمال PCM در نظر گرفته شود. به دلیل جاذبه بین گروه های عاملی آلی، مقدار زیادی PCM را می توان بدون اعمال فشار با ایجاد خلأ داخل گرافیت جا داد. کامپوزیت نانوگرافیت PCM در کاربرد ذخیره سازی انرژی حرارتی در طول چند صد سیکل حرارتی باید می ماند. رسانایی حرارتی این کامپوزیت 10 برابر بیشتر از ماده تغییرفازدهنده است.

اکسیدها و هیدروکسیدهای نانومتری[ویرایش]

از آنجایی که پارافین اشتعال پذیر است. برای حل این مشکل از هیدروکسیدهای فلزی مانند هیدروکسید منیزیم و تری هیدرات آلومینیوم که مانع آتش گیری می شوند استفاده می شود. این هیدروکسیدها به صورت پودر نانومتری به PCM اضافه می شوند. گاهی نیز به دلیل اینکه رزین های فرمالدهید سمی هستند از مواد غیرآلی مانند SiO2 به عنوان پوسته استفاده می شود که یک ماده آمورف و PCM مانند پارافین داخل آن قرار می گیرد؛ از طرف دیگر SiO2 ضدآتش بوده و ظرفیت گرمایی پارافین را افزایش می دهد. ref<شیخ جابری، فریبا، (1390) استفاده از فناوری نانو در ذخیره سازی انرژی حرارتی،ماهنامه فناوری نانو،شماره 4،>

محصولات[ویرایش]

  • micronal:

محصول نیمه ساخته شده متشکل از دانه‌های پارافین محصور شده در یک پلیمر است. میکروکپسول حدود ۵ میکرون قطر دارد و می‌تواند در گچ، بتن گنجانده شود. دارای دمای ذوب ۲۳ درجه سانتیگراد است.

  • Maxit CLIMA:

نمونه‌ای از محصول ترکیبی ساخت وساز است. نوعی گچ اسپری است که در آن micronal گنجانده شده است. دیوار با ضخامت ۳ سانتیمتری از Maxit CLIMA دارای ویژگی و جرم حرارتی مشابه به دیوار ۸ سانتیمتری بتنی و ۱۳ سانتیمتری بدون pcm می‌باشد.

  • Themrmalcore:

حاوی micronal است و گچی است که در دیوارها در خانه‌های pcm استفاده می‌شود، آسایش حرارتی خانه را تضمین می‌کند.

  • Thermusol:

این ماده مانند micronal محصول نیمه ساخته شده است. به صورت سودا و نمک است. در صنعت ساخت و ساز استفاده می‌شود.

  • بلوک:

یک حصیر از دو لایه مواد فیبری برای جذب بیشتر گرما ساخته شده است. معمولاً در سقف کار گذاشته می‌شود.[۵] Autoarkis: سقف از پانل‌های پلی پروپیلن به صورت کپسول pcm ساخته شده است. این پنل‌ها در سقف ثابت کار گذاشته می‌شوند، تنظیم کننده دمای هوا و تهویه هوا هستند.[۶]

  • Energain:

پانل‌هایی برای دیوار هستند، روکش نهایی از ورق آلومینیوم است. هسته آن شامل کوپلیمرهایی با pcm پارافین است. دمای ذب ۲۲ درجه سانتیگراد و دمای انجماد ۱۸ درجه سانتیگراد است.[۷]

در ایران[ویرایش]

نتایج تحقیقات یک گروه پژوهشگر در کشورمان از کاهش ۴۰ درصدی مصرف انرژی در ساختمان‌ها با استفاده از «مواد تغییر فاز» (PCM) حکایت دارد.«مواد تغییر فاز»(phase changel materials) به صورت میکروکپسول ساخته می‌شوند و قابلیت‌های زیادی در ایجاد تعادل در دمای محیط و ذخیره‌سازی و رهاسازی گرما دارند. با اشاره به کاربرد این مواد در ژئوتکستایل‌ها، صنعت کشاورزی و ساخت لباس‌های با کاربرد خاص، می‌توان خاطرنشان کرد: این مواد هوشمند در مدیریت انرژی ساختمان و ایجاد دمای مطلوب کاربردهای فراوانی دارند و در دنیا نیز شرکت‌های معتبری آنها را در قالب‌های تجاری تولید می‌کنند. درباره اجرای این طرح می‌توان گفت:مواد مورد نیاز در میکروکپسول‌هایی ساخته و در قطعات پیش ساخته ساختمانی تعبیه می‌شود. پس ازساخت اتاقک‌هایی با این قطعات پیش ساخته، کارکرد مواد در مقایسه با پروتکلی که برای آن تدوین شده بود، تست می‌شود که نشان می‌دهد این مواد در هوای سرد و هوای گرم تا ۴۰ درصد از اتلاف انرژی جلوگیری می‌کنند. این مواد هوشمند طبق دمایی که برای آنها تعریف می‌شود در طول شبانه روز گرمای اضافه در محیط ساختمان را جذب و در صورت کاهش دما، گرمای جذب شده را رهاسازی می‌کنند. به این ترتیب دمای متعادل تعریف شده در ساختمان حفظ می‌شود. برای استفاده از این مواد در طراحی و ساخت ساختمان‌ها راه زیادی در پیش داریم. چه آنکه پارامترهای مختلف زیادی در سازه و مصالح ساختمان باید در نظر گرفته شود.[۸]

جستارهای وابسته[ویرایش]

منابع[ویرایش]

  1. ۱٫۰ ۱٫۱ حق شناس کاشانی، سمیرا،"کاهش مصرف انرژی در ساختمان با ذخیرهسازی انرژی در مواد تغییر فاز دهنده"، اولین کنفرانس بینالمللی گرمایش، سرمایش و تهویه مطبوع ایران، تهران، خرداد 1388
  2. ۲٫۰ ۲٫۱ http://en.wikipedia.org/wiki/phase-chang-material
  3. http://gsdmaterialscollection.tumblr.com/post/13110785188/phase-change-materials
  4. http://www.pcmproducts.net
  5. http://www.salcabv.nl
  6. http://www.autarkis.nl
  7. http://sustainableinsteel.eu/p/556/pcm_products.html
  8. http://www.isna.ir