مقالات
در حال خواندن
مواد تغییر فاز دهندهpcm-قسمت دوم
0

مواد تغییر فاز دهندهpcm-قسمت دوم

توسط mostafa bohluli۱۳ خرداد, ۱۳۹۶
  • مسائل مورد مطالعه در این پژوهش شامل بررسی فرآیند ذوبِ چنین مخلوط هایی در محفظه های مربعی و استوانه ای همچنین انجماد ایشان در محفظه های استوانه ای می باشد. جریان آرام ودر محدوده فرض بوزینسک در نظر گرفته شده است. نتایج بدست آمده نشان می دهد استفاده از در صد حجمی کوچکی از نانو ذرات در مخلوط موجب افزایش چشمگیری شده است. نتایج بدست آمده نشان می دهد استفاده از در صد حجمی کوچکی از نانو ذرات در مخلوط موجب افزایش چشمگیری ذخیره سازی استفاده می کنند، شود. همچنین استفاده از ذرات با ضریب هدایت بیشتر بر کارایی این روش می افزاید.

انواع ویژگی های مواد تغییر فاز دهنده

ویژگی های ترمودینامیکی مواد تغییر فازدهنده باید:

  • دمای ذوبی در گستره‌ی دمای مطلوب واکنش داشته باشد.
  • گرمایی نهان بالا در واحد حجم
  • گرمای ویژه‌ی بالا، چگالی بالا و رسانش بالا
  • تغییرات حجم کم در گذار فاز،‌ و فشار بخار کم در دمای واکنش برای کاهش مسئله‌ی مهار
  • ذوب متجانس

ویژگی های سینماتیک:

  • میزان واکنش بالا برای دوری از فاز مایع ابرسرمایش
  • میزان بالای رشد بلور، بطوریکه سیستم می‌تواند بازیابی گرما را از سیستم ذخیره انجام دهد.

ویژگی های شیمیایی:

  • ثبات شیمیایی
  • چرخه بازگشت‌پذیر کامل ذوب/انجماد
  • بدون تنزل بعد از چرخه‌های متوالی ذوب/ انجماد
  • مواد غیرخورنده، غیر سمی،‌ غیرقابل اشتعال و انفجار

تصویر بالا ظروفی هستند از ترکیبات آمونیاک که برای خنک نگه داشت مواد خوراکی یا کیف‌ و کوله در مسافرت‌ها بسیار کاربرد دارند و می‌توانید با قیمت کم آن‌ها را دربازارلوازم وزشی و خانگی پیدا کنید.

ویژگی های اقتصادی:

  • هزینه ی کم
  • در دسترس بودن

پُرمصرف‌ترین مواد تغییر فاز،‌ هیدرات‌های نمک،  اسید‌های چرب، و استرها و پارافین‌های مختلف (مثل اُکتادکان‌ها) هستند. اخیراً مایعات یونی هم به‌عنوان PCM های جدید مورد استفاده قرار گرفته‌اند.

بیشتر محلول‌های اُرگانیک، بدون آب بوده و می‌توانند به هوا تزریق شوند، ولی همه‌ی محلول‌های PCM بایستی محفوظ نگه داشته شوند، تا از تبخیر و جذب آب جلوگیری شود. هردو نوع هم مزیت‌ و هم مضراتی دارند، و اگر به‌درستی مورد مورد استفاده قرار بگیرند،‌ تعدادی از مضرات برای آن کاربردها، مزیت محسوب می‌شوند. از این مواد در اواخر قرن ۱۹ به‌عنوان ذخیره‌ساز گرمایی استفاده شد. کاربردهای متفاوتی هم به عنوان حامل مواد یخ زده استفاده شده است (مانند کامیون‌‌ها و وانت‌های حمل مواد خوراکی). برخلاف یخچال‌ها، سیستم‌های PCM می‌توانند با چیلر‌های قدیمی یا جدید هم مورد استفاده قرار بگیرند.

 گستره‌ی دمایی در فناوری PCM افق جدیدی برای سرویس‌های خانگی و ساختمانی و مهندسین انجماد در دماهای متوسط به بالا در بر خواهد داشت. حوزه‌ی کاربرد انرژی گرمایی گستره‌ی وسیعی از انرژی خورشیدی، آب داغ، برون‌دهی حرارتی مثلاً در برج‌های سردساز یا مدارهای کولرهای خشک است.

وقتی PCM بین جامد- مایع در چرخه‌ی گرمایی تبدیل می‌شود، دفع طبیعی، مخزنِ مورد نظر است.

دسته بندی مواد تغییر فاز دهنده

هرچند در منابع مختلف دسته بندی های متنوعی برای مواد تغییر فز دهنده وجود دارد ولی به عنوان فصل مشترک این تقسیم بندیها ،عمدتا مواد تغییر فاز دهنده در دودسته بندی کلی ارگانیک وغیر ارگانیک قرار می گیرند.متداول ترین نمونه ارگانیک این مواد موموپارافین ومتداول ترین نمونه غیر ارگانیک مواد تغییر فازدهنده نمک هیدرات می باشد.قابل ذکر است که تفاوت های چشم گیری میان ویژگی های مواد تغییر فاز دهنده ارگانیک ومواد تغییر فازدهنده غیر ارگانیک وجود دارد.

در بعضی از منابع ها نیز این گونه مواد تغییر فاز دهنده را تقسیم بنده کرده اند که:

PCMهای آلی را میتوان به گروه پارافین ها (ذخیره الکان ها) و غیر پارافین ها مانند استر ها، اسید های چرب، الکل ها و گلیکولیک اسیدها تقسیم بندی نمود. دی هیدرات سولفات سدیم، هگزاهیدرات کلراید کلسیم و پارافین جز مهم ترین PCMها هستند. PCMها 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 اب هستند که دمای تغییر فاز انها کمتر از ۰درجه سانتیگراد است و هیدرات نمک ها، نمک های خاصی هستند که دمای تغییر فاز انها بالای۰درجه سانتیگراد است. مواد آلی نیز معمولا از زنجیره های بلند کربن و هیدروژن تشکیل شده اند که دمای تغییر فاز انها نیز بالای ۰درجه سانتیگراد است. برای کاربرد های تجاری و صنعتی، مواد تغییر فاز دهنده باید داخل یک پوشش آب بندی شده قرار گیرند. دمای کار متداول ترین PCMها بین ۴۰تا ۱۱۷+ درجه سانتیگراد است. این مواد را می توان بصورت صفحه، لوله و یاکره، با پوششی از جنس پلی اتیلن بسته بندی نمود. با استفاده از محصول نامبرده می توان مخزن جاذب انرژی حرارتی ساخت و pcmهای بسته بندی شده را در انها قرار داد که حرارت را به سیال موجود در سیستم، که می تواند هوا یا آب باشد، منتقل کند. باید بین بسته های PCMفاصله باشد تا سیال مذکور به راحتی در فواصل انها جریان یابد و تبادل انرژی حرارتی انجام شود.

شکل زیر دسته بندی مواد ارگانک وغیر ارگانیک می باشد:

در جدول زیر به برخی از تفاوت های ویژگی های اصلی موادارگانیک وغیر ارگانیگ اشاره شده است:

                معایب                 مزایا  

 

 

ارگانیک

(پارافین،اسیدهای چرب)

موجود درطیف وسیع دمایی
انجمادبدون سرمایش بیش ازحد
قابلیت ذوب متجانس
هدایت حرارتی کم سازگار با مصالح متداول
قابلیت کم ذخیره سازی گرمای بدون تفکیک وقابل بازیافت
حجمی نهان پایداری شیمیای
قابل اشتعال گرمای همجوشی بالا
ایمن وغیر واکنشی
تغییر حجم زیاد حجم ظرفیتحرارتی نهان بالا  

غیرارگانیک

(نمک هیدرات)

سرمایش بیش از حد هزینه کم ودر دسترس بودن
تفکیک تغییر فاز سریع
خوردگی قابلیت هدایت حرارتی زیاد
غیرقابل اشتعال

جدول PCM های غیر آلی

کاربرد مواد تغییر فاز دهنده(PCM)

PCMها با توجه به دمایی تغییر حالتشان کاربرد های متنوعی پیدا کرده اند. موادی که زیر۱۵ درجه سانتیگراد ذوب می شوند، برای خنک کردن و تهویه هوای اتاق قابلیت استفاده دارند. موادی که بالای ۹۰درجه سانتیگراد ذوب می شوند، برای کاهش دما در جاهایی که دما ممکن است به طور ناگهانی بالا رود کاربرد دارند و متنع اتش سوزی می شوند. سایر PCMها که دمای ذوبشان بین این دو مقدار است برای ذخیره سازی انرژی خورشیدی کاربرد دارند.PCMها برای سرد و گرم کردن دما در مقایس کوچکتر نیز کاربرد های 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 ان پک لایه PCM به کار رفته ست را نام برد.شکل زیر یک اجاق گرم کننده پیتزا را نشان می دهد که در ان از پک لایه PCMاستفاده شده است که با مقاومت های بکار رفته شارژ می شود ودر زمان لازم برای جلوگیری از سرد شدن غذا تغییر فاز داده وگرمای خود را به غذا می دهد. همچنین یک PCMکه برای گرم کردن دست در فصول سرد سال کاربرد دارد.

شکل الف)کاربرد PCMدر اجاق های گرم کننده غذا به شکل یک لایه شکل ب)گرم کننده دست ساخته شده از مواد تغییر فازدهنده در حال انجماد

شکل الف)کاربرد PCMدر اجاق های گرم کننده غذا به شکل یک لایه شکل ب)گرم کننده دست ساخته شده از مواد تغییر فازدهنده در حال انجماد

اجزا و قطعاتی از فضاپیماها که اتلاف توان و حرارت زیادی دارند بایستی از طریق روش هایی مانند انتقال حرارت جابجایی با هوا و یا انتقال حرارت هدایتی به یک صفحه سرد خنککاری شوند. همچنین باید از سرد شدن اجزایی که فقط گاه به گاه فعال می شوند جلوگیری کرد تا به دمایی پایین تر از دمای عملکردی خود نرسند. اما عدم وجود اتمسفر مانع کنترل حرارت به روش های جابجایی معمول می شود. یک کاربرد ایده آل مواد تغییر فاز دهنده خنک کاری این قطعات است. ساده ترین شکل کنترل حرارت با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده این است که برای اجزای الکترونیکی که سیکل کاری کوتاه در پرتاب و ورود مجدد به جو دارند، استفاده شوند. اگرچه چنین اجزایی فقط یک بار استفاده می شوند، ولی مقادیر بزرگی گرما تولید می کنند که برای جلوگیری از داغ شدن بیش از اندازه و از کار افتادن، این گرما بایستی دفع شود.

یک ماده تغییر فاز دهنده می تواند از چنین اجزایی محافظت کند. گرمای تولید شده از طریق گرمای نهان ذوب ماده تغییر فاز دهنده و بدون افزایش دمای محسوس قطعه جذب می شود. این نوع سیستم کاملًا غیر فعال و بسیار قابل اطمینان است. یک کاربرد عمومی تر کنترل حرارت توسط مواد تغییرفازدهنده برای قطعات الکترونیکی است که عملکردی تناوبی و سیکلی دارند (قطعاتی که در سیکل های روشن خاموش کار می کنند). در این حالت هنگامی که قطعات در طول زمان روشن بودنِ خود گرما تولید می کنند. انرژی گرمای ذوب از طریق رادیاتورها، لوله حرارتی یا سایر وسایل دفع می شود و با منجمد شدن ماده تغییر فاز دهنده برای بخش روشن بعدی مهیا می شود. تغییر متناوب ماده تغییر فاز دهنده از جامد به مایع و برعکس قطعه را قادر می سازد که همواره در یک  حالت خیلی نزدیک به همدما عمل کند. در طول ماموریت آپولو ۱۵ سه سیستم کنترل حرارتی با مواد تغییر فاز دهنده روی وسایل گردش در ماه استفاده شده اند.

ذخیره و رهاسازی انرژی از طریق تغییر فاز می تواند در مقیاسی بزرگ تر برای ماموریت های فضایی که محیط فضاپیما و در نتیجه گرمایش آن تغییر می کند به کار گرفته شود. برای مثال یک ماهواره مدارگرد زمین، وقتی که از سایه زمین خارج و یا به آن وارد می شود به طور متناوب با محیط های بسیار متفاوت مواجه می شود. در چنین ماموریت هایی مواد تغییر فاز دهنده برای خنثی کردن تغییرات دمایی بزرگی که یک فضاپیما ممکن است در طول سیکل مداری تجربه کند، می توانند انرژی خورشیدی را ذخیره و رها سازند.

انرژی قطعات الکترونیکی می تواند از طریق لوله های حرارتی به ابزار ذخیره انرژی گرمایی مرکزی منتقل شود، تا بعدا برای کنترل گرما یا تولید انرژی استفاده شود. این بازیافتِ انرژی در سفرهای فضایی طولانی سودمند است. مواد تغییرفازدهنده با دماهای نقطه ذوب بالا می توانند درکنار سیستم های تولید توان الکترونیکی نیز به کار گرفته شوند. رادیاتورها میتوانند به منظور جمع کردن انرژی خورشیدی در کنار مواد تغییر فاز دهنده قرار گیرند تا انرژی را از طریق تغییر فاز در نقطه ذوب ذخیره کنند. سپس این انرژی ذخیره شده می تواند با استفاده از اختلاف دمای بزرگ بین رادیاتور و فضای خارج به توان الکتریکی تبدیل شود تا ابزار ترمویونیک یا ترموالکتریک را به کار اندازد.

مواد تغییر فاز دهنده می توانند در رابطه با آزمایش های پرواز فضایی نیز استفاده شوند. بسیاری از آزمایش های حساس با ابزارهایی که به دقت کالیبره شده اند انجام می گیرند. مجموعه های مواد تغییر فاز دهنده می توانند برای بقای پایداری گرمایی یا تضمین شرایط همدما در طول آزمایش در کنار این ابزارها به کار گرفته شوند. مواد تغییر فاز دهنده به علت ظرفیت ذخیره گرمایی همدمای منحصر به فردشان می توانند برای سیستم های حلقه سیال/رادیاتور بسیار سودمند باشند. یکی از این کاربردها در اسکایلب استفاده شده است. سیال خنک کننده که از رادیاتورهای خارجی برم یگردد در طول یک سیکل مداری تغییرات دمایی بزرگی را حس می کند. این تغییرات دمایی خیلی بزرگ مانع عملکرد موثر و بهتر مبدل های حرارتی بودند.

یک خازن گرمایی با به کارگیری مواد تغییرفازدهنده این تغییرات دمایی را به وسیله ذوب و انجماد متناوب خنثی می کند. بنابراین خازن گرمایی سیال وارد شده به مبدل حرارتی را در یک محدوده دمایی مجاز نگاه می دارد. یک کاربرد دیگر مواد تغییر فاز دهنده در خود رادیاتورهاست. به طور معمول اگر رادیاتور در طول ماموریت در معرض دفع حرارت سیکلی قرار بگیرد بایستی برای نیازمندی های حجم بار ماکزیمم ساخته شود تا عملکرد موفقیت آمیز داشته باشد. اگر ماده تغییر فاز دهنده در کنار رادیاتور قرار بگیرد، رادیاتور می تواند برای نیازمندی های دفع حرارت متوسط طراحی و ساخته شود چون می تواند انرژی را در بار ماکزیمم توسط تغییر فاز ذخیره کند تا بعدا توسط تشعشع به فضا خنثی شود. با استفاده از چنین رادیاتورهایی صرفه جویی در سطح و جرم قابل توجه و زیاد خواهد بود.

از مواد تغییر فاز دهنده زمانی استفاده می شود که بین زمان وجود انرژی وزمان نیاز به ان اختلاف وجود داشته باشد ازانجا که مواد تغییر فاز دهنده  در طیف مختلفی از نقاط ذوب وجود دارند،مهمترین ویژگی تعیین کننده ی کاربرد این مواد نقطه ذوب انهاست.

استفاده از ماده تغییر فاز دهنده به عنوان عایق های شفاف:

پنجره های شیشه ای ساختمان می توانند نور روز را به داخل ساختمان هدایت نمایند، ولی از طرف دیگر، با توجه به هدایت حرارتی بالا، اثر نامطلوب بروی میزان مصرف انرژی در ساختمان می گذارند. از انجایی که مواد تغییر فاز دهنده شفاف معمولا هدایت گرمایی پایینی دارند، می توانند به عنوان عایق راه حلی برای این مسئله باشند.این مواد به دلیل دارا بودن هدایت حرارتی پایین و البته قابلیت انتقال نوری بالا (درفاز مایع)، می توانند به عنوان صفحات عایق شفاف مورد استفاده قرار گرفته و لذا گرما را در درون خود محصور نمایند. بسیاری از مواد تغییر فاز دهنده دارای شفافیت بسیار بالایی برای نور مرئی هستند واین در حالی است که قسمت مادون قرمز نور را جذب می نمایند واین خاصیت به انها قابلیت اسفاده در شیشه های ساختمان را می دهد.

اخیرا دانشمندان سوئیسی موفق به ساخت نوعی از شیشه های دو جداره شده اند که علاوه براینکه نوع این شیشه ها خاص است،در فواصل بین دو پانل شیشه ای از مواد تغییر فاز دهنده نیز استفاده شده است. شیشه سمت بیرون در این پانل دوجداره مجهز به یک فیلتر منشوری درخشان است که اشعه های خورشید با زاویه بالا را بازتاب نموده وبا اشعه های با زاویه کوچک را از خود عبور می دهد.این فیلتر در واقع نوعی ابزار کنترولی است که سبب می شود اشعه های خورشید تابستان که زاویه بالایی دارند در بیرون ساختمان بمانند ولی اشعه های خورشید زمستان که زاویه کمی دارند به داخل ساختمان راه بیابند. مواد تغییر فاز دهنده ای که در بین فواصل این صفحات شیشه ای بکار رفته است،در حین تابش خورشید به یک مایع شفاف تبدیل می شود و زمانی که تابش خورشید از بین می رود، مجددا به حالت جامد برمی گردد.این پدیده به حفظ گرما و گرم تر ماندن داخل ساختمان کمک می کند. حتی در زمان هایی که این مواد درحالت جامد است، باز هم مقادیری از نور به داخل را می یابد که سبب روشن تر شدن فضا می شود.

استفاده از مواد تغییر فاز دهنده در سیستم های خورشیدی:

یکی از ظرفیت های مواد تغییر فاز دهنده برای ذخیره انرژی خورشیدی در ساختمان های است که قابلیت جمع اوری انرژی خورشیدی با استفاده از گرد اورنده های خورشیدی را دارا هستند. در صورت ستفاده از مواد تغییر فاز دهنده در چنین سیستم هایی، می توان حجم بالای از انرژی خورشیدی را در طول ساعات روز ذخیره نموده ودر طول ساعات شب از همین انرژی برای گرمایش استفاده نمود.مواد تغییر از دهنده در این سیستم ها معمولا در محفظه های نازکی که با ارایش صفحه ای روی هم قرار گرفته اند، نگهداری می شوند و سپس سیال انتقال حرارت ازبین این صفحات ودر تماس غیر مستقیم با این مواد حرکت می کند. روش کار در این سیستم ها بدین صورت است که انرژی جمع اوری شده توسط گرداورنده ها در روز موجب گرم شدن سیال انتقال حرارت (معولا اب) می شود.سپس اب گرم شده گرمای خود را به صفحات حاوی ماده تغییر فازدهنده تحویل می دهد و ماده مذکور این گرما را در قالب گرمای نهان دریافت نموده و ان را صرف تغییر فاز خود از جامد به مایع می نماید. در طول ساعات شب، اب سرد جایگزین اب گرم درون سیستم می شود. مواد تغییر فاز دهنده نیز به دلیل کاهش دما، فرایند انتقال فاز خود را بصورت برعکس (ازمایع به جامد)طی می کند و لذا حجم گرمای دریافتی در طول روز را به اب سرد پس داده وسبب گرم شدن آب می شود. سپس از اب گرم حاصل جهت گرمایش ساختمان استفاده می شود. برای افزایش کارایی چنین سیستم های، نیاز به تکنیک هایی است که فرایند انتقال حرارت بین ماده تغییر فاز دهنده و سیال انتقال گرما را به حداکثر برساند و اکثر مطالعات نیز در همین زمینه صورت گرفته است.

بنابراین نتایج شبیه سازی در یک پژوهش، مقدار۷۰کیلوگرم از یک ماده تغییر فاز دهنده خاص که در سیستم ذخیره انرژی خورشیدی به کار رفته باشد، می تواند برای گرمایش یک ساختمان در شب کفایت نماید. این نکته بیانگر حجم کمتر مواده تغییر فاز دهنده مورد استفاده نسبت به سایر مواد مورد استفاده در سیستم های قدیمی است که به دلیل دانسیته بالای جذب گرما در نقطه انتقال فاز ماده تغییر فاز دهنده است. گزارش شده که اگر از مواد تغییر فاز دهنده در این سیستم ا استفاده شود، حجم مواد مورد نیاز تقریبا یک چهارم نسبت به وضعیت استفاده از انبار سنگی و یک دوم نسبت به حالت استفاده از آب خواهد بود.

       درادامه ای مقاله با ما همراه باشید….

واکنش شما چیست؟
I like it
50%
interested
50%
Hate it
0%
What
0%
درباره نویسنده
mostafa bohluli
دانشجوی مهندسی مکانیک

پاسخ بدهید