whatsapp call admin

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

word قابل ویرایش
14 صفحه
10700 تومان
107,000 ریال – خرید و دانلود

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

مروری بر موادی با قابلیت تغییر فازی به عنوان ذخیره کننده های انرژی حرارتی
چکیده
مواد تغییر فاز دهنده دسته مهمی از مواد می باشند که با ذخیره سازی انرژی حرارتی نهان نقش موثری در افزایش بازده، صرفه جویی در مصرف و جلوگیری از هدر رفت انرژی داشته و همچنین ذخیره کننده های انرژی خورشیدی هستند. ذخیره انرژی 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 انرژی را به صورت گرمای نهان ذوب ذخیره میکنند. گروه های متعدد از انواع مختلف مواد، مورد مطالعه و ارزیابی های فنی قرار گرفته اند، این مواد شامل مواد معدنی و مواد آلی می باشند. در این مقاله مروری شده است بر ویژگی ها و طبقه بندی مواد تغییر فاز دهنده که انرژی را طی فرایند تغییر حالت مایع- جامد ذخیره می کنند.
کلمات کلیدی: مواد تغییر فاز دهنده- ذخیره انرژی حرارتی- گرمای نهان- هدایت حرارتی

.۱ مقدمه
امروزه به دلیل ذخایر محدود سوختهای فسیلی و نگرانی ها در مورد انتشار گازهای گلخانه ای، انسان ناگزیر از یافتن منابع انرژی تجدید پذیر مانند انرژی خورشیدی، آب، باد و حتی انرژی حرارتی زمین است. به طور کلی باید به نحوی انرژی های نامبرده را مهار، ذخیره و مورد استفاده قرار داد. در این بین ذخیره سازی انرژی حرارتی اهمیت ویژه ای دارد، برای ذخیره انرژی حرارتی می توان از روشهای مختلفی مثل مواد تغییر فاز دهنده (PCMs) استفاده نمود که در حین تغییر فاز، انرژی حرارتی را ذخیره نموده و در موارد لزوم آزاد می کنند. برای ذخیره انرژی حرارتی از فرایندهای گرمایش، سرمایش، ذوب، انجماد و تبخیر استفاده می شود و برای دستیابی به انرژی ذخیره شده، ماده تغیر فاز دهنده باید در فرایند معکوس قرار گیرد. استفاده از PCM ها باعث افزایش تناسب بین عرضه تقاضای انرژی و افزایش عملکرد شبکه های توزیع انرژی شده نقش مهمی در صرفه جویی و ذخیره سازی انرژی بازی می کنند.[۱]
.۲ روشهای ذخیره سازی انرژی حرارتی
انرژی حرارتی را به دو صورت انرژی حرارتی محسوس و انرژی حرارتی نهان می توان در مواد ذخیره نمود. این مواد انرژی حرارتی را توسط مکانیسم های معمول انتقال حرارت یعنی هدایتی، جابجایی و تابش، جذب و ذخیره می کنند و انرژی حرارتی ذخیره شده را مثلا در شبهای سرد یا روزهای ابری با همین مکانیسم ها آزاد می کنند.[۱]

.۲٫۱ ذخیره انرژی حرارتی محسوس
انرژی حرارتی محسوس با افزایش دمای جسم جامد یا مایع در آن ذخیره می شود میزان انرژی محسوس ذخیره شده در جسم تابعی از دما، ظرفیت گرمایی ویژه و مقدار جسم می باشد:

بطوریکه -Q مقدار انرژی ذخیره شده (J)، -Tiدمای اولیه((°C،–Tfدمای نهایی((°C،-m جرم ماده ذخیره کنند انرژی (kg)، -CPگرمای ویژه (J/kgK)،-Cap گرمای ویژه متوسط بین دمای Tiو .[۱](J/kgK)Tf

.۲٫۲ ذخیره انرژی حرارتی نهان
انرژی 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 پیوندهای مولکولی در یک واکنش شیمیایی برگشت پذیر است مقدار گرمای نهان ذخیره شده در جسم از رابطه زیر به دست می آید:

بطوریکه-am جزء مایع شده و-∆ Hm گرمای ذوب بر واحد جرم (J/kg) می باشد.[۱]انرژی حرارتی نهان ذخیره شده -۱۴ ۵برابر بیشتر از انرژی محسوس و روی محدوده دمایی تقریبا ثابت می باشد. تاکنون PCM های بسیاری در محدوده های دمایی متفاوتی شناسایی و سنتز شده اند. با وجود این برای کاربرد آنها به عنوان ذخیره کننده های انرژی حرارتی باید خصوصیات حرارتی، فیزیکی، سینتیکی و شیمیایی مطلوب را دارا باشند.[۱]
.۳ خصوصیات مواد تغییر فاز دهنده ایده آل
خصوصیات حرارتی
• دمای ذوب در محدوده عملیاتی مورد نظر
• گرمای نهان بالا طی تغییر فاز
• ظرفیت گرمایی بالا برای فراهم کردن گرمای محسوس بیشتر
• هدایت گرمایی بالا برای هر دو فاز
خصوصیات فیزیکی
• تغییر حجم اندک در حین تغییر فاز
• فشار بخار پایین در دمای عملیاتی
• تعادل فازی مطلوب
• جرم حجمی بالا

خصوصیات سینتیکی
• سرعت تبلور مناسب
• نداشتن سوپرکولینگ
خصوصیات شیمیایی
• پایداری شیمیایی بلند مدت
• طی کردن یک سیکل کامل برگشت پذیر ذوب-انجماد
• سازگاری با ترکیبات ساختمان و نداشتن اثرات خوردگی روی 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 معیارهای گفته شده را ندارد. ولی پیشرفت های اخیر در طراحی و شناسایی مواد جدید برای ذخیره انرژی حرارتی مانند فناوری نانو، امکان تازه ای برای ازدیاد طول عمر و افزایش عملکرد و دستیابی به معیارهای بیشتر را پیش رو گذاشته است.[۱]
.۴ طبقه بندی مواد تغییر فاز دهنده
بیش از چهل سال است که تعداد زیادی از مواد مختلف آلی، معدنی و یوتکتیک در محدوده های 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 دمای تغییر فاز پایین- دارای دمای تغییر فاز کمتر از ۱۵°C می باشند و معمولا در صنایع غذایی و سیستم های تهویه مطبوع کاربرد دارند.
PCM .II ها با دمای تغییر فاز متوسط- دارای دمای تغییر فاز ۱۵-۹۰ °C می باشند، این PCM که بیشتر معمول هستند برای صرفه جویی در مصرف انرژی در طراحی ساختمان ها، صنایع الکترونیک، پزشکی، نساجی، ذخیره انرژی خورشیدی کاربرد دارند.
PCM .III ها با دمای تغییر فاز بالا- دارای دمای تغییر فاز بیشتر از ۹۰°C می باشند و بیشتر در صنعت و برای کاربردهای فضایی مورد استفاده قرار گرفته اند.[۲,۳]

PCMرا بر اساس حالت تغییر فازشان به سیستم های گاز-مایع،گاز- جامد، مایع- جامد و جامد- جامد تقسیم بندی می کنند. استفاده از سیستم های گاز- مایع وگاز- جامد به عنوان سیستم های ذخیره کننده انرژی حرارتی به دلیل حجم بزرگ مورد نیاز برای تغییر فاز بسیار محدود است حتی اگر گرمای نهان بزرگی هنگام تغییر فاز داشته باشند. سیستم های جامد-جامد و مایع- جامد تغییرات حجم اندک حدود ۱۰٪ و یا کمتر دارند که با وجود گرمای نهان کمتر،کاربردی تر و اقتصادی تر می باشند. انرژی حرارتی ذخیره شده در سیستم های جامد-جامد طی فرایند تغییر فاز، باعث تغییر ساختار کریستالی از یک فرم به فرم دیگر می شود. این انرژی نسبت به سیستم های مایع- جامد بسیار کمتر است و انرژی حرارتی زیادی منتقل نمی شود. بنابراین بیشتر مواد تغییر فاز دهنده موادی هستند که طی فرایند تغییر حالت از جامد به مایع انرژی را ذخیره می کنند و از پیوندهای شیمیایی برای ذخیره و آزاد سازی انرژی حرارتی استفاده می کنند.[۱]
PCM .4.1های مایع- جامد
تاکنون PCM های مایع- جامد مختلفی برای ذخیره انرژی حرارتی به کار گرفته شده است مانند آب، نمک های هیدرات، پارافین ها، برخی هیدروکربن ها، پلیمرها و آلیاژهای فلزی که در بخش های بعدی به تفصیل به آن پرداخته خواهد شد.

PCM .4.1.1 های معدنی

مواد مختلف معدنی، یوتکتیک و ترکیبات آنها به عنوان PCM ، برای کاربردهای مختلف دما بالا و دما پایین شناخته شده اند.
.۴٫۱٫۱٫۱ هیدرات های نمک
هیدرات های نمک با فرمول کلی AB_nH2O، که محتوی آب تبلور می باشند در هنگام تغییر فاز، آب از دست داده و مقدار آب نمک های هیدرات بسیار کم می شود:

و یا بدون آب می شوند:

که بستگی به وضعیت ذوب شدن دارد. هیدرات های نمک را می توان به صورت زیر طبقه بندی کرد:
• هیدرات های نمک با رفتار ذوب شدن متعارف- در دمای ذوب، نمک در آب تبلور حل می شود.
• هیدرات های نمک با رفتار ذوب شدن نا متعارف-در دمای ذوب، نمک به صورت جزئی در آب تبلور حل می شود.
• هیدرات های نمک با رفتار ذوب شدن نیمه متعارف- در حین فرایند ذوب شدن، فازهای جامد و مایع که در تعادل با هم هستند دارای ترکیب اجزای مختلف هستند زیرا هیدرات های نمک تبدیل به هیدرات های نمک با مقدار آب کمتر می شوند.[۱]
تعداد زیادی از هیدرات های نمک پتانسیل استفاده به عنوان یک ماده تغییر فاز دهنده را دارا هستند، گرمای تغییر فاز بالا و دمای مناسب در هنگام ذوب شدن را دارند اما متاسفانه به صورت غیر متعارف ذوب می شوند. نتیجتا مقدار آب آزاد شده برای حل کردن نمک های کریستالی تشکیل شده کافی نیست که این منجر به اختلاف دانسیته، جدایش فازها و رسوب می شوند که باعث ایجاد مشکلات فنی در کاربردهای عملی می شوند.[۴] یکی دیگر از معایب هیدات های نمک، قدرت هسته سازی ضعیف آنها می باشد که باعث سوپرکولینگ قابل ملاحظه ای می شود. برای اجتناب از این مشکل یک عامل هسته سازی یا مقدار کوچکی کریستال برای تسریع هسته سازی به سیستم افزوده می شود.[۱] همچنین مشکلات ناشی از خوردگی اجزای فلزی در تاسیسات ذخیره کننده انرژی گزارش شده اند.[۵,۶] با وجود تمام این معایب، هیدرات های نمک به دلیل گرمای تغییر فاز بالا، دمای ذوب مناسب و مسایل اقتصادی در رقابت با دیگر مواد ذخیره کننده انرژی مورد توجه قرار می گیرند. در میان خانواده گسترده هیدرات های نمک، کلسیم کلراید هگزا هیدرات که اغلب استفاده می شود، سوپرکولینگ قابل ملاحظه ای داشته و حساسیت بالایی نسبت به رطوبت دارد این ویژگی ها استفاده طولانی مدت از آن را محدود کرده است.
.۴٫۱٫۱٫۲ آلیاژ ها
آلیاژ های فلزی به عنوان PCM های دما بالا با قابلیت بالای ذخیره انرژی حرارتی و تکرارپذیری سیکل های ذوب- انجماد مورد استفاده قرار می گیرند. بالاترین گرمای تغییر فاز برای آلیاژ های دوتایی و سه تایی عناصر نسبتا فراوان Al، Cu، Mg و Zn یافت شد. آلیاژ آلومینیوم برای کاربرد در ذخیره سازی گرمای نهان به صورت پایه ای مورد مطالعه قرار گرفته است زیرا ظرفیت بالا برای ذخیره گرمای نهان، دمای تغییر فاز مناسب و پایداری حرارتی خوبی دارد.[۳,۷,۸]
PCM .4.1.2 های آلی
PCM های آلی شامل حوزه وسیعی از پارافین ها، اسیدهای چرب، استرها و دیگر مواد آلی می باشند.
PCM .4.1.2.1 های آلی با مولکول های کوچک
.۴٫۱٫۲٫۱٫۱ پارافین ها
پارافین ها ( هیدروکربن های اشباع شده با فرمول کلی (CnH2n+2به دلیل قابلیت ذخیره سازی انرژی حرارتی نهان بالا در محدوده کوچک دمایی، تغییر حجم کوچک در حین ذوب شدن، فشار بخار پایین در حالت ذوب، پایداری شیمیایی تا دمای زیر ۵۰۰ °C، غیر سمی، نسبتا ارزان، قابل اطمینان و قابل پیشبینی،در دسترس بودن در محدوده وسیع دمایی، خورنده نبودن، و بی ضرری برای محیط زیست به طور گسترده ای مورد توجه قرار گرفته اند.[۱]

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 10700 تومان در 14 صفحه
107,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد