مقاله مروری بر موادی با قابلیت تغییر فازی به عنوان ذخیره کننده های انرژی حرارتی

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

مروري بر موادي با قابلیت تغییر فازي به عنوان ذخیره کننده هاي انرژي حرارتی
چکیده
مواد تغییر فاز دهنده دسته مهمی از مواد می باشند که با ذخیره سازي انرژي حرارتی نهان نقش موثري در افزایش بازده، صرفه جویی در مصرف و جلوگیري از هدر رفت انرژي داشته و همچنین ذخیره کننده هاي انرژي خورشیدي هستند. ذخیره انرژي گرمایی توسط جسم به صورت نهان به هنگام تغییر فاز جسم از حالت جامد به مایع، مایع به گاز،گاز- جامد و جامد به جامد صورت میگیرد. مواد تغییر فاز دهنده انرژي را به صورت گرماي نهان ذوب ذخیره میکنند. گروه هاي متعدد از انواع مختلف مواد، مورد مطالعه و ارزیابی هاي فنی قرار گرفته اند، این مواد شامل مواد معدنی و مواد آلی می باشند. در این مقاله مروري شده است بر ویژگی ها و طبقه بندي مواد تغییر فاز دهنده که انرژي را طی فرایند تغییر حالت مایع- جامد ذخیره می کنند.
کلمات کلیدي: مواد تغییر فاز دهنده- ذخیره انرژي حرارتی- گرماي نهان- هدایت حرارتی

.1 مقدمه
امروزه به دلیل ذخایر محدود سوختهاي فسیلی و نگرانی ها در مورد انتشار گازهاي گلخانه اي، انسان ناگزیر از یافتن منابع انرژي تجدید پذیر مانند انرژي خورشیدي، آب، باد و حتی انرژي حرارتی زمین است. به طور کلی باید به نحوي انرژي هاي نامبرده را مهار، ذخیره و مورد استفاده قرار داد. در این بین ذخیره سازي انرژي حرارتی اهمیت ویژه اي دارد، براي ذخیره انرژي حرارتی می توان از روشهاي مختلفی مثل مواد تغییر فاز دهنده (PCMs) استفاده نمود که در حین تغییر فاز، انرژي حرارتی را ذخیره نموده و در موارد لزوم آزاد می کنند. براي ذخیره انرژي حرارتی از فرایندهاي گرمایش، سرمایش، ذوب، انجماد و تبخیر استفاده می شود و براي دستیابی به انرژي ذخیره شده، ماده تغیر فاز دهنده باید در فرایند معکوس قرار گیرد. استفاده از PCM ها باعث افزایش تناسب بین عرضه تقاضاي انرژي و افزایش عملکرد شبکه هاي توزیع انرژي شده نقش مهمی در صرفه جویی و ذخیره سازي انرژي بازي می کنند.[1]
.2 روشهاي ذخیره سازي انرژي حرارتی
انرژي حرارتی را به دو صورت انرژي حرارتی محسوس و انرژي حرارتی نهان می توان در مواد ذخیره نمود. این مواد انرژي حرارتی را توسط مکانیسم هاي معمول انتقال حرارت یعنی هدایتی، جابجایی و تابش، جذب و ذخیره می کنند و انرژي حرارتی ذخیره شده را مثلا در شبهاي سرد یا روزهاي ابري با همین مکانیسم ها آزاد می کنند.[1]

.2.1 ذخیره انرژي حرارتی محسوس
انرژي حرارتی محسوس با افزایش دماي جسم جامد یا مایع در آن ذخیره می شود میزان انرژي محسوس ذخیره شده در جسم تابعی از دما، ظرفیت گرمایی ویژه و مقدار جسم می باشد:

بطوریکه -Q مقدار انرژي ذخیره شده (J)، -Tiدماي اولیه((°C،–Tfدماي نهایی((°C،-m جرم ماده ذخیره کنند انرژي (kg)، -CPگرماي ویژه (J/kgK)،-Cap گرماي ویژه متوسط بین دماي Tiو .[1](J/kgK)Tf

.2.2 ذخیره انرژي حرارتی نهان
انرژي حرارتی نهان به هنگام تغییر حالت جسم از جامد به مایع، مایع به گاز و جامد به جامد در آن ذخیره می شود. اساس آن بر شکستن و تشکیل پیوندهاي مولکولی در یک واکنش شیمیایی برگشت پذیر است مقدار گرماي نهان ذخیره شده در جسم از رابطه زیر به دست می آید:

بطوریکه-am جزء مایع شده و-∆ Hm گرماي ذوب بر واحد جرم (J/kg) می باشد.[1]انرژي حرارتی نهان ذخیره شده -14 5برابر بیشتر از انرژي محسوس و روي محدوده دمایی تقریبا ثابت می باشد. تاکنون PCM هاي بسیاري در محدوده هاي دمایی متفاوتی شناسایی و سنتز شده اند. با وجود این براي کاربرد آنها به عنوان ذخیره کننده هاي انرژي حرارتی باید خصوصیات حرارتی، فیزیکی، سینتیکی و شیمیایی مطلوب را دارا باشند.[1]
.3 خصوصیات مواد تغییر فاز دهنده ایده آل
خصوصیات حرارتی
• دماي ذوب در محدوده عملیاتی مورد نظر
• گرماي نهان بالا طی تغییر فاز
• ظرفیت گرمایی بالا براي فراهم کردن گرماي محسوس بیشتر
• هدایت گرمایی بالا براي هر دو فاز
خصوصیات فیزیکی
• تغییر حجم اندك در حین تغییر فاز
• فشار بخار پایین در دماي عملیاتی
• تعادل فازي مطلوب
• جرم حجمی بالا

خصوصیات سینتیکی
• سرعت تبلور مناسب
• نداشتن سوپرکولینگ
خصوصیات شیمیایی
• پایداري شیمیایی بلند مدت
• طی کردن یک سیکل کامل برگشت پذیر ذوب-انجماد
• سازگاري با ترکیبات ساختمان و نداشتن اثرات خوردگی روي آنها
• غیر قابل اشتعال
• غیر قابل انفجار
• نداشتن سمیت
همچنین یک PCM مناسب باید قیمت پایین داشته و به مقدار فراوان در دسترس باشد. یک PCM عملا تمام معیارهاي گفته شده را ندارد. ولی پیشرفت هاي اخیر در طراحی و شناسایی مواد جدید براي ذخیره انرژي حرارتی مانند فناوري نانو، امکان تازه اي براي ازدیاد طول عمر و افزایش عملکرد و دستیابی به معیارهاي بیشتر را پیش رو گذاشته است.[1]
.4 طبقه بندي مواد تغییر فاز دهنده
بیش از چهل سال است که تعداد زیادي از مواد مختلف آلی، معدنی و یوتکتیک در محدوده هاي دمایی مختلف به عنوان مواد تغییر فاز دهنده در نظر گرفته شده اند. این مواد به سه گروه اصلی بر مبنی محدوده دمایی که تغییر فاز رخ می دهد تقسیم می شوند.
PCM .I ها با دماي تغییر فاز پایین- داراي دماي تغییر فاز کمتر از 15°C می باشند و معمولا در صنایع غذایی و سیستم هاي تهویه مطبوع کاربرد دارند.
PCM .II ها با دماي تغییر فاز متوسط- داراي دماي تغییر فاز 15-90 °C می باشند، این PCM که بیشتر معمول هستند براي صرفه جویی در مصرف انرژي در طراحی ساختمان ها، صنایع الکترونیک، پزشکی، نساجی، ذخیره انرژي خورشیدي کاربرد دارند.
PCM .III ها با دماي تغییر فاز بالا- داراي دماي تغییر فاز بیشتر از 90°C می باشند و بیشتر در صنعت و براي کاربردهاي فضایی مورد استفاده قرار گرفته اند.[2,3]

PCMرا بر اساس حالت تغییر فازشان به سیستم هاي گاز-مایع،گاز- جامد، مایع- جامد و جامد- جامد تقسیم بندي می کنند. استفاده از سیستم هاي گاز- مایع وگاز- جامد به عنوان سیستم هاي ذخیره کننده انرژي حرارتی به دلیل حجم بزرگ مورد نیاز براي تغییر فاز بسیار محدود است حتی اگر گرماي نهان بزرگی هنگام تغییر فاز داشته باشند. سیستم هاي جامد-جامد و مایع- جامد تغییرات حجم اندك حدود 10٪ و یا کمتر دارند که با وجود گرماي نهان کمتر،کاربردي تر و اقتصادي تر می باشند. انرژي حرارتی ذخیره شده در سیستم هاي جامد-جامد طی فرایند تغییر فاز، باعث تغییر ساختار کریستالی از یک فرم به فرم دیگر می شود. این انرژي نسبت به سیستم هاي مایع- جامد بسیار کمتر است و انرژي حرارتی زیادي منتقل نمی شود. بنابراین بیشتر مواد تغییر فاز دهنده موادي هستند که طی فرایند تغییر حالت از جامد به مایع انرژي را ذخیره می کنند و از پیوندهاي شیمیایی براي ذخیره و آزاد سازي انرژي حرارتی استفاده می کنند.[1]
PCM .4.1هاي مایع- جامد
تاکنون PCM هاي مایع- جامد مختلفی براي ذخیره انرژي حرارتی به کار گرفته شده است مانند آب، نمک هاي هیدرات، پارافین ها، برخی هیدروکربن ها، پلیمرها و آلیاژهاي فلزي که در بخش هاي بعدي به تفصیل به آن پرداخته خواهد شد.

PCM .4.1.1 هاي معدنی

مواد مختلف معدنی، یوتکتیک و ترکیبات آنها به عنوان PCM ، براي کاربردهاي مختلف دما بالا و دما پایین شناخته شده اند.
.4.1.1.1 هیدرات هاي نمک
هیدرات هاي نمک با فرمول کلی AB_nH2O، که محتوي آب تبلور می باشند در هنگام تغییر فاز، آب از دست داده و مقدار آب نمک هاي هیدرات بسیار کم می شود:

و یا بدون آب می شوند:

که بستگی به وضعیت ذوب شدن دارد. هیدرات هاي نمک را می توان به صورت زیر طبقه بندي کرد:
• هیدرات هاي نمک با رفتار ذوب شدن متعارف- در دماي ذوب، نمک در آب تبلور حل می شود.
• هیدرات هاي نمک با رفتار ذوب شدن نا متعارف-در دماي ذوب، نمک به صورت جزئی در آب تبلور حل می شود.
• هیدرات هاي نمک با رفتار ذوب شدن نیمه متعارف- در حین فرایند ذوب شدن، فازهاي جامد و مایع که در تعادل با هم هستند داراي ترکیب اجزاي مختلف هستند زیرا هیدرات هاي نمک تبدیل به هیدرات هاي نمک با مقدار آب کمتر می شوند.[1]
تعداد زیادي از هیدرات هاي نمک پتانسیل استفاده به عنوان یک ماده تغییر فاز دهنده را دارا هستند، گرماي تغییر فاز بالا و دماي مناسب در هنگام ذوب شدن را دارند اما متاسفانه به صورت غیر متعارف ذوب می شوند. نتیجتا مقدار آب آزاد شده براي حل کردن نمک هاي کریستالی تشکیل شده کافی نیست که این منجر به اختلاف دانسیته، جدایش فازها و رسوب می شوند که باعث ایجاد مشکلات فنی در کاربردهاي عملی می شوند.[4] یکی دیگر از معایب هیدات هاي نمک، قدرت هسته سازي ضعیف آنها می باشد که باعث سوپرکولینگ قابل ملاحظه اي می شود. براي اجتناب از این مشکل یک عامل هسته سازي یا مقدار کوچکی کریستال براي تسریع هسته سازي به سیستم افزوده می شود.[1] همچنین مشکلات ناشی از خوردگی اجزاي فلزي در تاسیسات ذخیره کننده انرژي گزارش شده اند.[5,6] با وجود تمام این معایب، هیدرات هاي نمک به دلیل گرماي تغییر فاز بالا، دماي ذوب مناسب و مسایل اقتصادي در رقابت با دیگر مواد ذخیره کننده انرژي مورد توجه قرار می گیرند. در میان خانواده گسترده هیدرات هاي نمک، کلسیم کلراید هگزا هیدرات که اغلب استفاده می شود، سوپرکولینگ قابل ملاحظه اي داشته و حساسیت بالایی نسبت به رطوبت دارد این ویژگی ها استفاده طولانی مدت از آن را محدود کرده است.
.4.1.1.2 آلیاژ ها
آلیاژ هاي فلزي به عنوان PCM هاي دما بالا با قابلیت بالاي ذخیره انرژي حرارتی و تکرارپذیري سیکل هاي ذوب- انجماد مورد استفاده قرار می گیرند. بالاترین گرماي تغییر فاز براي آلیاژ هاي دوتایی و سه تایی عناصر نسبتا فراوان Al، Cu، Mg و Zn یافت شد. آلیاژ آلومینیوم براي کاربرد در ذخیره سازي گرماي نهان به صورت پایه اي مورد مطالعه قرار گرفته است زیرا ظرفیت بالا براي ذخیره گرماي نهان، دماي تغییر فاز مناسب و پایداري حرارتی خوبی دارد.[3,7,8]
PCM .4.1.2 هاي آلی
PCM هاي آلی شامل حوزه وسیعی از پارافین ها، اسیدهاي چرب، استرها و دیگر مواد آلی می باشند.
PCM .4.1.2.1 هاي آلی با مولکول هاي کوچک
.4.1.2.1.1 پارافین ها
پارافین ها ( هیدروکربن هاي اشباع شده با فرمول کلی (CnH2n+2به دلیل قابلیت ذخیره سازي انرژي حرارتی نهان بالا در محدوده کوچک دمایی، تغییر حجم کوچک در حین ذوب شدن، فشار بخار پایین در حالت ذوب، پایداري شیمیایی تا دماي زیر 500 °C، غیر سمی، نسبتا ارزان، قابل اطمینان و قابل پیشبینی،در دسترس بودن در محدوده وسیع دمایی، خورنده نبودن، و بی ضرري براي محیط زیست به طور گسترده اي مورد توجه قرار گرفته اند.[1]