مقاله اهمیت و کاربرد مواد تغییر فاز دهنده

بخشی از مقاله

اهمیت و کاربرد مواد تغییر فاز دهنده

چکیده

مواد تغییر فاز دهنده (PCM) انرژی حرارتی را به روش گرمای نهان در خود ذخیره میکنند. این مـواد دارای چگـالی ذخیرهسـازی حرارتی بالایی هستند و با تغییرات دمایی اندک نقش مهمـی را در حفاظـت از انـرژی و آسـایش حرارتـی را در سـاختمان فـراهم میکنند. همچنین بکارگیری این مواد به سبب کاهش اندازه نوسانات دمای هوای داخل و باقی ماندن دمای هوای اتاق برای مدت زمان طولانی تر نزدیک به دمای مطلوب اتاق به طور طبیعی انتقال حرارت به ساختمان را در ساعات اوج مصرف چندین ساعت به تاخیر می اندازند. روشهای مختلفی توسط محققان برای ترکیب مواد تغییر فاز دهنده در ساختمان بررسیشده است و یافـت شـده که مواد تغییر فاز دهنده نوسانات درجه حرارت داخلی ساختمان را بهطور قابلتوجهی کاهش میدهند و مانع از تغییرات سریع دمایی میشوند. این مقاله خلاصهای از آثار قبلی در مورد مواد تغییر فاز دهنده، نحوه و نوع کاربرد این مواد را ارائه میدهد.

واژههای کلیدی: انرژی حرارتی، پوشش ساختمان، ذخیرهسازی ، مواد تغییر فاز دهنده.

1

مقدمه

مشکلات زیستمحیطی ناشی از مصرف سوختهای فسیلی هزینه بالا و کاهش منابع سوخت فسیلی استفاده از منابع انرژی تجدید پذیر را لازم و مطلوب ساخته است. در انتهای قرن 21 و فقط باگذشت 400 سال از فعالیت صنعتی بشر، بیشتر سوختهای فسیلی ذخیرهشده در طی 400 میلیون سال در پوستهی زمین، تمام خواهد شد. سوزاندن زغالسنگ، نفت و گاز مقادیر زیادی دیاکسید کربن در جو آزادکرده و آبوهوای کره زمین را تغییر میدهد. مصرف انرژیهای فسیلی خطر افزایش گازهای گلخانهای را به دنبال دارد که براثر این پدیده، کره زمین گرمتر شده و اثرات نامطلوبی بر آبوهوا و شرایط زیستمحیطی وارد میسازد

.(Falk et al., 2013)

بسیاری از طرفداران محیطزیست که نگران گرم شدن کره زمین و خطرات احتمالی استفاده از انرژی هستهای هستند، خواهان استفاده از منابع انرژیهای تجدید پذیر میباشند .محققین در جهان معتقدند که باید پایه انرژی از نفت خارج گردد و تأمین آن از منابع انرژی تجدید پذیر مانند انرژیهای آبی، بادی و خورشیدی گذاشته شود. از موارد کاربرد انرژی خورشیدی میتوان جمع کنندههای تخت (کلکتورهای خورشیدی)، دستگاههای گرمکننده خورشید، اجاقهای خورشیدی، دودکشهای خورشیدی، آبگرمکنهای خورشیدی، سیستمهای فتوولتاییک و سیستمهای ذخیره کننده انرژی را نام برد آنچه همواره با واژه انرژی همراه میباشد سیستم ذخیرهساز انرژی است .در سالهای اخیر سیستمهای ذخیره کننده انرژی موردتوجه بسیاری از محققین قرارگرفته است. ظرفیت بالای ذخیرهسازی انرژی حرارتی باعث میشود تا امکان ساخت ذخیره کنندههای کوچک فراهم گردد و بتوان آنها را بهصورت فشرده تولید کرد .این ویژگی باعث میشود که واحدهای ذخیره کننده انرژی در کاربردهای تجاری و فضایی که معمولاً با محدودیت ابعادی مواجه هستند، استفاده فراوانی داشته باشد .مواد تغییر فاز دهنده بکار برده شده در این سیستمها اصطلاحاً مواد تغییر فاز دهنده (PCM) نامیده میشوند. مواد تغییر فاز دهنده محلولهایی میباشند که برای تعدیل درجه حرارت

به کار میروند. ذخیرهسازی انرژی نهان گرمایی و یا در نگاه عامتر هدر رفتن انرژی عامل پراهمیتی در ضرورت ذخیرهسازی انرژی سودمند منابع و بازیافت گرمایی هدر رونده در صنعت میباشد. مواد تغییر فاز دهنده دارای ظرفیت ذخیرهسازی بالایی درزمینه برودت و حرارت دارند. همچنین امکان تبادل حرارت ناشی از بهرهگیری انرژیهای پنهان و احیاناً ذخیرهسازی انرژی عمل بازیافت انرژی امکانپذیر و ممانعت از به هدر رفتن انرژی میسرتر میشود .(Zhou et al. , 2012)

تعریف

مواد تغییر فاز دهنده، مواد ذخیرهسازی انرژی هستند که مقدار ذخیره انرژی حرارتی1 خیلی بیشتری از مواد ذخیره کنندهی انرژی آشکار دارند و قادر به جذب و آزادسازی مقدار زیادی انرژی در یک دمای ثابت دارند که این عمل با توجه به تغییر فاز آن صورت

2

نمیگیرد .[3] ذخیرهسازی انرژی وسیلهای کاربردی برای افزایش راندمان انرژی و نگهداری از آن است. سهراه برای ذخیرهسازی انرژی وجود دارد که شامل روشهای شیمایی محسوس و نامحسوس میباشد. انرژی شیمایی (واکنشهای معکوسپذیر). گرمای آشکار1 و گرمای نهان.2 از این روشها ذخیرهسازی بهوسیله گرمای نهان به خاطر حفظ و آزادسازی انرژی به مقدار زیادی در واحد وزن PCM در یک دمای ثابت بیشتر مورد استقبال قرارگرفته است. انتقال انرژی حرارتی وقتی صورت میگیرد که یک ماده از جامد به مایع یا از مایع به جامد تغییر کند.

در ابتدا، این مواد تغییر فاز دهندهی جامد به مایع مانند مواد نگهدارندهی مرسوم عمل میکند: دمای آنها با جذب حرارت افزایش مییابد برعکس مواد نگهدارنده مرسوم (آشکار). مواد تغییر فاز دهنده انرژی حرارتی راتقریباً با دمای ثابت جذب و آزاد میکند. آنها 14-5 برابر بیشتر از مواد نگهدارندهی آشکار مانند آب در واحد حجم انرژی را نگه میدارند. بسیاری از مواد تغییر فاز دهنده در هر رنج موردنیاز ذوب میشوند. بااینوجود برای استفاده از مواد نگهدارندهی گرمای نهان این مواد باید ویژگیهای موردنیاز ترمودینامیکی، جنبشی و شیمایی را داشته باشند ازنظر اقتصادی و در دسترس بودن مواد باید موردتوجه قرار بگیرند ( Sharma et

.(al., 2009

دسته بندی

مواد تغییر فاز دهندهی زیادی وجود دارند و به سه دسته کلی ارگانیک، غیر ارگانیک و یوتکتیک دستهبندی میشوند. همچنین با توجه به دمای ذوب و گرمای نهان ذوب هم مشخص میشوند. از بین این مواد، آنهایی که دمای ذوبی بین 20 تا 60 درجهدارند برای ساختمانهای مسکونی که از سیستم گرمایش کف با تشعشع استفاده میکند مناسب میباشد.

مواد تغییر فاز دهنده ارگانیک3

مواد ارگانیک بیشتر به مواد پارافینی و مواد غیر پارافینی دستهبندی میشوند مواد ارگانیک با دمای ذوب متجانس خود هسته شده و معمولاً برای مخازن خود خاصیت فرسایش ندارند. مواد تغییر فاز دهندهی ارگانیک، چسبندگی موردنیاز، پایداری شیمایی، عدم واکنشپذیری و قابلیت بازسازی، از مزیتهای آنهاست بااینوجود، رسانش گرمایی خیلی کمی در حالتجامد دارند و ظرفیت گرمای نهان آنها کم است نقطه ذوب و گرمای نهان ذوب مواد تغییر فاز دهندهی ارگانیک رایج در ساختمانهای مسکونی که از

سیستم گرمایش کف با تشعشع استفاده میکنند. در جدول 1 نشان داده شده است.

3

جدول :1 مواد تغییر فاز دهنده ارگانیک

مواد تغییر فاز دهنده غیر ارگانیک1

ترکیبهای غیر ارگانیک گرمای نهان ذوب بالایی در واحد جرمدارند. همچنین هزینه کمتری در مقایسه با ارگانیکها دارند. اشتغال ناپذیر هم هستند بااینوجود آنها در سرمایش زیاد و دچار پوسیدگی میشوند که بر خواص تغییر فاز آنها اثر میگذارد.

مواد تغییر فاز دهندهی غیر ارگانیک گرمای نهان زیاد و انتقال حرارت بالایی دارند همچنین از مواد تغییر فاز دهندهی یوتکتیک ارزانتر هستند. خوشبختانه به خاطر خاصیت اشتغال ناپذیری آنها در برابر آتش مقاوم هستند.

جدول :2 مواد تغییر فاز دهنده غیر ارگانیک

مواد تغییر فاز دهنده یوتکتیک2

یوتکتیک یک ترکیب دو یا چند جزئی با نقطه ذوب حداقل است. که هر جزء بهصورت متجانس ذوب یا منجمد میشود و یک ترکیب کریستالی معین کرستالیزه شده تشکیل میدهد. تحقیقات بسیار کمی راجع به آنها صورت گرفته است ) Vineet and

.)Buddhi, 2007

4

جدول .3 مواد تغییر فاز دهنده یوتکتیک

کاربرد مواد تغییر فاز دهنده انتقال مواد تغییر فاز دهنده برای مصالح ساختمانی

مواد تغییر فاز دهنده به خاطر وجود فاصلههای متفاوت تغییر فازشان برای کارهای گوناگونی گسترشیافتهاند.

موادی که زیر 15 درجه ذوب میشوند برای نگهداری دمای خنک در کاربردهای مربوط به جابجایی هوا مورداستفاده قرار میگیرند. درحالیکه موادی که بالای 90 درجه ذوب میشوند در مواردی که افزایش ناگهانی دما وجود دارد مورداستفاده قرار میگیرند. تا از اشتغال جلوگیری کند. موادی که نقطهی ذوبی بین اینها دارند میتوانند برای گرمایش خورشیدی و برای کارهایی که احتیاج به تنظیم مقدار گرما دارند مورداستفاده قرار گیرند .(Huang, 2006)

موادی که طی 40 سال اخیر موردمطالعه قرارگرفته است شامل نمکهای هیدراته، روغنهای پارافین، اسیدهای چرب و یوتکتیک اجزای ارگانیک و غیر ارگانیک میباشند. بااینوجود مواد تغییر فاز دهنده نمیتوانند بهآسانی مستقیم درجاهای کاربردی مورداستفاده قرار گیرند که این امر به خاطر پایداری حرارتی پایین و رسانش پایین گرمایی است. بنابراین مواد تغییر فاز دهنده بهبودیافته برای غلبه بر این مشکلات توسعه مییابند .(Sumin et al., 2009)

5

شکل .1 کلاسی از مواد است که میتواند بهعنوان PCM با توجه به دمای ذوب و آنتالپی ذوب استفاده شوند.

برای کاربردهای مربوط به مصالح ساختمانی، مواد تغییر فاز دهنده احتیاج به دستگاههای خاص گرمای نهان ذخیرهسازی انرژی حرارتی1 در شکلها یا اجزای مختلف مانند لایه و لولههای PCM انتقالدهنده حرارت و تعداد زیادی قوطی برای کپسول کردن آنها دارد تا از حالتجامد به مایع در پروسه ذخیرهسازی انرژی دربیاید. بااینکه استفاده از این مواد مشکل پراکندگی و هدر رفت مواد تغییر فاز دهنده را در پروسه تغییر فاز جامد به مایع کم میکند ولی نهفقط مقاومت حرارتی افزایش مییابد که هزینه گرمای نهان ذخیرهسازی انرژی حرارتی (LHTES) نیز زیاد میشود. بااینوجود این مشکل با استفاده از کپسولهای میکرو /نانو مواد تغییر فاز دهنده2 حل میشود. با کپسول کردن مواد تغییر فاز دهنده در ترکیبهای پلیمری میشود به این منظور دستیافت. میکرو کپسول کردن با توجه به پارامترهایی مانند قطر ذره، ضخامت لایه، ظرفیت گرمایی، رسانش، پایداری و ... دستهبندی میشوند. ضخامت دیواره ذرات باید کمتر از 1 میکرومتر باشد و قطر ذرات از 1 میکرومتر تا 200 میکرومتر با توجه به روش کپسول کردن متغیر است ولیمعمولاً 40-20 میکرومتر است. مقدار PCM هر کپسول بین 85-80 درصد است .(Nelson, 2002)

میکرو کپسول کردن تکنیک مهمی در صنعت کشاورزی و زمینههای پزشکی است. چراکه یک جسم میتواند با یکلایه محافظت گردد. خیلی از مواد مانند رنگها، جوهر مایع، توتر، داروها و مواد تغییر فاز دهنده کپسوله میشونداخیراً. این تکنیک برای گسترش دامنهی کاربردی مواد تغییر فاز دهنده موردتوجه واقعشده. مواد تغییر فاز دهندهی میکرو کپسوله شده یکشکل از مواد تغییر فاز دهندهی کپسوله شده هستند که در کپسولهای پلیمری طبیعی یا مصنوعی کپسوله شدهاند (شکل .(2 میکروکپسوله ها دارای این

6

مزین هستند:-1از مواد تغییر فاز دهنده در برابر عوامل محیطی نگهداری میکنند. -2سطح انتقال حرارت را افزایش میدهند. -3به مادی هسته و تحت پوشش خود این قابلیت را میدهند که در برابر تغییر حجم PCM هنگام تغییر فاز مقاومت بیشتری داشته باشد. -4به سیستمهای ذخیرهسازی انرژی حرارتی (TES) کوچک و قابلحمل سازگار هست .(Liang et al., 2009)

شکل.2 مواد تغییر فاز دهندهی کپسوله شده

با توجه به هزینه بالای تولید میکرو کپسولها و باهدف کمهزینهتر شدن، میتوان مواد تغییر فاز دهنده را بهصورت پاکتهایی با ابعاد بزرگتر به کاربرد. در صورت استفاده از این مواد بهصورت پاکتی و یا غیرمیکروکپسول، امکان استفاده از آنها در فضاهای کوچک همچون خلل و فرج مصالح از بین رفته و لذا به فضاهای بزرگتری برای جا دادن این مواد نیاز خواهیم داشت .ازجمله موارد کاربرد بدینصورت، میتوان به پانلهای مهارشده با فرمهای فلزی بین جدارهها اشاره نمود. پانلهای سخت و یا انعطافپذیر حاوی این مواد امروزه در بازار نیز موجود بوده و بهصورت تولید انبوه به شکل رولهای بستهبندیشده و یا پانلهای سخت قابلنصب (شکل (3 به مشتریان عرضه میشود.

شکل .3 مواد تغییر فاز دهنده با پانلهای سخت

7

عوامل مؤثر در کاربرد مواد تغییر فاز دهنده

علاوه بر نقطه ذوب مواد تغییر فاز دهنده، در طراحی هر سیستم ذخیره انرژی که بر مبنای مواد تغییر فاز دهنده عمل میکند،

بایستی موارد زیر در نظر گرفته شود:

· ماده تغییر فاز دهنده با دمای ذوب موردنظر

· مبدل حرارتی با سطح تبادل حرارتی مناسب

· محفظه نگهدارنده ماده تغییر فاز دهنده که قابلیت جذب تغییرات حجم این مواد به هنگام تغییر فاز را داشته باشد و

سازگار با آن نیز باشد نکته قابلتوجه آنکه برای دستیابی به کارایی بهتر باید دمای ذوب مواد موردنظر در محدوده دمای کاری باشد تا علاوه بر خاصیت
عایق بودن آنها بتوان از خواص تغییر فاز نیز استفاده کرد .هرچند برای استفاده از این مواد در طراحی و ساخت ساختمانها راه زیادی در پیش است اما ازجمله نکات بسیار مهم در کاربرد این مواد نیز نظیر دیگر سامانههای ایستا مسائل مربوط به محاسبات توجیه اقتصادی و زمان بازگشت سرمایه اولیه بعد از زمان بهرهبرداری هست .در برخی موارد استفاده از مواد تغییر فاز دهنده میتواند میزان شار حرارتی ورودی به ساختمان را تا 38 درصد کاهش میدهد .همچنین افزایش تعداد حفرههای مواد تغییر فاز دهنده در آجر موجب کاهش 11 درصدی شار حرارتی و بار سرمایشی میشود

سیستم گرمایشی کف با تشعشع1

مواد تغییر فاز دهنده بهعنوان مصالح ساختمانی در خیلی از مطالعات مورداستفاده قرارگرفته ولی کمتر دربارهی ساختمانهایی که از سیستم گرمایشی کف با تشعشع تحقیقشده است مهمترین مؤلفهی مواد تغییر فاز دهنده در ساختمانهای مسکونی ظرفیت گرمایی و نقطه ذوب آن است هرچند دستگاههای که از این روش استفاده میکنند ازنظر پراکنش گرمایی باحالتی که از سیستمهای انتقال حرارت استفاده میکنند متفاوت است؛ بنابراین برای عملی کردن مواد تغییر فاز دهنده در ساختمانهای مسکونی که از سیستم گرمایش کف با تشعشع استفاده میکنند باید واکنش گرما رابین دمای اتاق و دمای مصالح ساختمانی داشته شود. شکل 4 پراکنش دمای اتاق را نمایش میدهد. در حالت گرما با روش تشعشع اختلاف دما بین کف تا سقف بیشتر از سایر روشهای حرارتی است؛ بنابراین مواد تغییر فاز دهندهای که دمای ذوب مناسب داشته باشد باید موردتوجه قرار بگیرد؛ زیرا اختلاف گرمایی داخل و خارج سازه وجود دارد .(Jeon and Jisoo, 2010)