Фазалық өзгеріс материалдары және олардың жылу сақтау қасиеттері

Кіріспе

Жоғары балқу немесе қату жылуы бар зат.

Фазалық ауысу материалы (ФАМ) – фазалық ауысу кезінде пайдалы жылу немесе салқындатуды қамтамасыз ету үшін жеткілікті энергияны бөліп шығаратын/сіңіретін зат. Әдетте, ауысу материяның екі негізгі күйінің бірінен – қатты немесе сұйық – екіншісіне болады. Фазалық ауысу материяның классикалық емес күйлері арасында да жүзеге асуы мүмкін, мысалы, кристалдардың өзгеруі, онда материал бір кристалдық құрылымнан екіншісіне ауысады, бұл жоғары немесе төмен энергетикалық күй болуы мүмкін. Қаттыдан сұйыққа немесе керісінше фазалық ауысу кезінде бөлінетін/сіңірілетін энергия, яғни балқу жылуы, көбінесе сезімтал жылудан әлдеқайда жоғары болады. Мысалы, мұзды еріту үшін 333,55 Дж/г қажет, бірақ суға 4,18 Дж/г қосылғанда ғана бір градусқа көтеріледі. Сондықтан су/мұз өте пайдалы фазалық ауысу материалы болып табылады және кем дегенде Ахеменидтер империясы заманынан бері қысқы салқынды сақтап, жазда ғимараттарды салқындату үшін қолданылып келеді. Фазалық ауысу температурасында (ФАТ) балқып, қатып, ФАМ жылуды тиімді сақтауға қарағанда әлдеқайда көп энергияны сақтай және бөліп шығара алады. Материал қатты күйден сұйық күйге ауысқанда немесе материалдың ішкі құрылымы өзгергенде жылу сіңіріледі немесе бөлінеді; сондықтан ФАМ жасырын жылуды сақтау (ЖЖС) материалы ретінде танылады. Фазалық ауысу материалдарының екі негізгі класы бар: органикалық (көміртекті) материалдар, олар мұнайдан, өсімдіктерден немесе жануарлардан алынады; және тұз гидраттары, олар әдетте теңізден немесе минералды кен орындарынан алынған табиғи тұздарды пайдаланады немесе басқа процестердің қосалқы өнімдері болып табылады. Үшінші класс – қаттыдан қаттыға фазалық ауысу. ФАМ энергияны сақтау және/немесе тұрақты температураны қажет ететін көптеген коммерциялық қолданыстарда қолданылады, оның ішінде жылыту төсемдері, телефондық станциялардың салқындатылуы және киімдер. Ең үлкен нарық әлеуеті ғимараттарды жылыту және салқындату саласында. Бұл салада ФАМ жаңартылатын электр энергиясының құны прогрессивті түрде төмендеуімен және оның үздіріліссіз сипатымен байланысты үлкен әлеуетке ие. Бұл сұраныс пен ұсыныстың арасындағы теңсіздікке әкелуі мүмкін. Солтүстік Америкада, Қытайда, Жапонияда, Австралияда, Оңтүстік Еуропада және басқа да дамыған елдерде жазғы ыстық күндері ұсыныстың ең жоғары деңгейі түскі уақытта, ал сұраныстың ең жоғары деңгейі шамамен сағат 17:00-ден 20:00-ге дейін байқалады. Бұл жылуды сақтау орталықтарын құруға мүмкіндік береді. Қатты-сұйық фазалық ауысу материалдары әдетте соңғы қолданысқа орнату үшін сұйық күйінде сақтау үшін капсулаға салынады. Кейбір қолданыстарда, әсіресе маталарға енгізілген кезде, фазалық ауысу материалдары микрокапсулаға салынады. Микрокапсуляция материалды ФАМ ядросы еріген кезде кішкентай көпіршіктер түрінде қатты күйде сақтауға мүмкіндік береді.

A phase change material (PCM) is a substance which releases/absorbs sufficient energy at phase transition to provide useful heat or cooling. Generally the transition will be from one of the first two fundamental states of matter solid and liquid to the other. The phase transition may also be between non classical states of matter, such as the conformity of crystals, where the material goes from conforming to one crystalline structure to conforming to another, which may be a higher or lower energy state. The energy released/absorbed by phase transition from solid to liquid, or vice versa, the heat of fusion is generally much higher than the sensible heat. Ice, for example, requires 333.55 J/g to melt, but then water will rise one degree further with the addition of just 4.18 J/g. Water/ice is therefore a very useful phase change material and has been used to store winter cold to cool buildings in summer since at least the time of the Achaemenid Empire. By melting and solidifying at the phase change temperature (PCT), a PCM is capable of storing and releasing large amounts of energy compared to sensible heat storage. Heat is absorbed or released when the material changes from solid to liquid and vice versa or when the internal structure of the material changes; PCMs are accordingly referred to as latent heat storage (LHS) materials. There are two principal classes of phase change material: organic (carbon containing) materials derived either from petroleum, from plants or from animals; and salt hydrates, which generally either use natural salts from the sea or from mineral deposits or are by products of other processes. A third class is solid to solid phase change. PCMs are used in many different commercial applications where energy storage and/or stable temperatures are required, including, among others, heating pads, cooling for telephone switching boxes, and clothing. By far the biggest potential market is for building heating and cooling. In this application area, PCMs hold potential in light of the progressive reduction in the cost of renewable electricity, coupled with the intermittent nature of such electricity. This can result in a misfit between peak demand and availability of supply. In North America, China, Japan, Australia, Southern Europe and other developed countries with hot summers, peak supply is at midday while peak demand is from around 17:00 to 20:00. This creates opportunities for thermal storage media. Solid liquid phase change materials are usually encapsulated for installation in the end application, to contain in the liquid state. In some applications, especially when incorporation to textiles is required, phase change materials are micro encapsulated. Micro encapsulation allows the material to remain solid, in the form of small bubbles, when the PCM core has melted.

Өзіндіктері мен жіктелуі

Латентті жылуды сақтау, материяның күйін сұйық→қатты, қатты→сұйық, қатты→газ және сұйық→газ түрлендіру арқылы жүзеге асырылуы мүмкін. Дегенмен, фазалық өзгерістердің ішінде тек қатты→сұйық және сұйық→қатты түрленулері ПКМ үшін қолдануға ыңғайлы. Сұйық–газ өтулер, қатты–сұйық өтулерге қарағанда жоғары жылулыққа ие болғанымен, материалды газ күйінде сақтау үшін үлкен көлем немесе жоғары қысым талап етілгендіктен, жылу сақтау үшін тиімді емес. Қатты–қатты фазалық өзгерістер көбінесе өте баяу өтеді және салыстырмалы түрде төмен жылулыққа ие. Алғашқыда, қатты–сұйық ПКМ-дер нақты жылуды сақтау (SHS) материалдары сияқты әрекет етеді; олардың температурасы жылуды сіңіре келе артады. Бірақ, дәстүрлі SHS материалдарынан өзгеше, ПКМ өз фазалық өзгеру температурасына (балқу нүктесіне) жеткенде, барлық материал ерігенше, температура шамалы өзгере отырып, көп мөлшерде жылуді сіңіреді. Сұйық материалдың айналасындағы температура төмендегенде, ПКМ қайтадан қаттыланып, сақталған латентті жылуын бөліп шығарады. ПКМ-дер -5 °C-тан 190 °C-қа дейінгі кез келген қажетті температура диапазонында қолжетімді. 20 және 30 °C аралығындағы адамға қолайлы температурада, кейбір ПКМ-дер өте тиімді, 200 кДж/кг латентті жылуды сақтайды, ал кірпіштер үшін бұл көрсеткіш шамамен 1 кДж/(кг*°C) құрайды. Сондықтан, егер температура 10 °C-қа дейін өзгерсе, сақтау тығыздығы кірпіштерге қарағанда килограммға шаққанда 20 есе артық болуы мүмкін. Алайда, кірпіштердің массасы ПКМ-дерге қарағанда әлдеқайда көп болғандықтан, бұл нақты жылу сыйымдылығы (массаға шаққанда) толығымен өтелмейді. Мысалы, кірпіш қабырғаның массасы 200 кг/м2 болса, жылу сыйымдылығын екі еселеу үшін қосымша 10 кг/м2 ПКМ қажет болады.

Гигроскопиялық материалдар

Көптеген табиғи құрылыс материалдары гигроскопиялық, яғни олар суды сіңіре алады (су конденсацияланады) және суды шығарады (су буланады). Процесс былай: Конденсация (газдан сұйыққа) ΔH<0; энтальпия азаяды (экзотермиялық процесс) жылу береді. Булану (сұйықтан газға) ΔH>0; энтальпияның өсуі (эндотермиялық процесс) жылуды сіңіреді (немесе суытады). Бұл процесс аз мөлшерде энергияны босатады, бірақ үлкен беттік аумақ ғимараттарда айтарлықтай (1–2 °C) жылынуға немесе салқындауға мүмкіндік береді. Тиісті материалдар – жүнді жылу оқшаулау және топырақ/саз жабын.

Қатты-қатты ПКМ

Көп мөлшерде жылуды сіңіріп және бөліп шығарумен жүзеге асылатын қатты-қатты фазалық ауысуға ұшырайтын арнайы ПКМ тобы. Бұл материалдар белгілі бір және нақты анықталған температурада кристалдық құрылымын бір торлық конфигурациядан екіншісіне өзгертеді, ал осы түрленуге ең тиімді қатты-сұйық ПКМ-дерге тең жасырын жылулар тән болуы мүмкін. Бұл материалдардың пайдалы болуының себебі, қатты-сұйық ПКМ-дерден айырмашылығы, олар суперсауытуды болдырмау үшін нуклеацияға мұқтаж болмайды. Сонымен қатар, бұл қатты-қатты фазалық өзгеріс болғандықтан, ПКМ-нің сыртқы түрінде көзге көрінетін өзгеріс болмайды және сұйықтықтарды қолданумен байланысты проблемалар – оқшаулау, ықтимал ағып кету сияқты мәселелер де туындамайды. Қазіргі таңда қатты-қатты ПКМ шешімдерінің температуралық диапазоны 50 °C (58 °F) -тан +175 °C (347 °F) дейін жетеді.

Термофизикалық қасиеттері

Фазалық өзгерістер материалдарының негізгі термофизикалық қасиеттері: балқу температурасы (Tm), қорыту энталпиясы (ΔHfus), нақты жылу сыйымдылығы (cp) (қатты және сұйық фазада), тығыздық (ρ) (қатты және сұйық фазада) және жылу өткізгіштігі. Көлемдегі өзгеріс және көлемдік жылу сыйымдылығы сияқты шамалар осы мәндерден есептелуі мүмкін.

Термиялық композиттер

Термиялық композиттер — фазалық өзгеріс материалдары (ФӨМ) және басқа (әдетте қатты) құрылымдардың комбинацияларын білдіретін термин. Мысалы, парафин балауызына батырылған мыс тор. Парафин балауызындағы мыс тор композиттік материал ретінде қарастырылуы мүмкін, және оны термиялық композит деп атайды. Мұндай гибридтік материалдар нақты жалпы немесе көлемдік қасиеттерге қол жеткізу үшін жасалады (мысалы, парафинді жеке кремний диоксиді нано сфераларына енгізу, беттік көлем арақатынасын арттыру арқылы, соның салдарынан жылу беру жылдамдығын жоғарылату). Жылу өткізгіштігі — термиялық композиттер жасау арқылы арттыруға бағытталған жиі кездесетін қасиет. Бұл жағдайдағы негізгі идея — салыстырмалы түрде төмен өткізгіштігі бар ФӨМ-ге жоғары өткізгіштігі бар қатты затты (мысалы, мыс тор немесе графит) қосу арқылы жылу өткізгіштігін арттыру, осылайша жалпы (жылу) өткізгіштікті жоғарылату. Егер ФӨМ ағып тұруы керек болса, қатты зат кезекті болуы керек, мысалы, тор пішіндес. Әуе-ғарыш өнеркәсібінде қолданылатын шыны талшық немесе кевлар препрегі сияқты қатты композиттер әдетте талшықтан (кевлар немесе шыны) және матрицадан (талшықтарды ұстап тұру және қысымға төзімділікті қамтамасыз ету үшін қатаюшы желім) тұрады. Термиялық композит осылай анықталмаған, бірақ матрицаға (қатты) және ФӨМ-ға ұқсас болуы мүмкін, ол жағдайларға байланысты әдетте сұйық және/немесе қатты күйде болады. Олар сондай-ақ жердегі шағын элементтерді анықтауға да қолданылады.

Өрт және қауіпсіздік мәселелері

Кейбір фазалық өзгеріс материалдары суда ерітіліп, салыстырмалы түрде уытты емес. Ал басқалары көмірсутектер немесе басқа да жанғыш материалдар, немесе уытты заттар болып табылады. Сондықтан, фазалық өзгеріс материалдарын өрт және құрылыс нормаларына, сондай-ақ тиімді инженерлік тәжірибелерге сәйкес өте сақтап таңдап, қолдану қажет. Қосымша өрт қаупі, жалынның таралуы, түтін шығуы, контейнерде сақтағанда жарылу мүмкіндігі және жауапкершілік деңгейінің жоғары болуына байланысты, жанғыш фазалық өзгеріс материалдарын тұрғын үйлерде немесе басқа да үнемі пайдаланылатын ғимараттарда қолданбаған абзал. Фазалық өзгеріс материалдары сонымен қатар электрониканың жылулық реттелуінде де қолданылады.