مواد تغییر فاز دهنده (pcm)

MAT ARCHITECT

کاربر بیش فعال
کاربر ممتاز
تعریفمواد تغییر فاز دهنده
Phase Change Materials ( PCM )یا مواد تغییر فاز دهنده موادیهستند که مازاد انرژی حرارتی محیط اطراف خود را در زمان عدم نیاز بر پایه گرماینهان ذوب و انجماد در خود ذخیره میکنند و در زمان مورد نیاز ، دوباره به محیط یاچرخه سیستم باز میگردانند و با این کار به طور کاملا هوشمند محیط یا سیستم اطرافخود را مجبور میکنند که در درجه حرارت معینی باقی بماند .

چگونگیعملکرد مواد تغییر فاز دهنده
ذخیره سازی انرژی گرمایی سیستمی است که انرژی را بصورت گرمابرای استفاده در آینده ذخیره میکند . به طور کلی این سیستم شامل سه مرحله است :شارژ حرارتی ، ذخیره سازی حرارتی و تخلیه حرارتی . مواد به سه روش اصلی حرارت رادر خود ذخیره میکنند : شامل حرارت محسوس ، گرمای نهان و واکنشهای شیمیایی .در ذخیره سازی حرارت محسوس حرارترا میتوان با افزایش درجه حرارت در مواد ذخیره کرد و گرمای ویژه ، تغییرات درجهحرارت و مقدار ماده عوامل اصلی تعیین کننده میزان ذخیره سازی گرما هستند . درمقابل در ذخیره سازی گرمای نهان ،‌ انرژی حرارتی هنگام تغییر ماده از حالت فیزیکیبه حالت دیگر ذخیره (‌ یا آزاد ) میشود . تعییر حالت ( فاز ) مواد در ذخیره‌سازی گرمای نهان از سه طریق صورت می‌گیرد:تغییر فاز جامد - جامد ، تغییر فاز جامد - مایع و تغییر فاز مایع - گاز ، در حالت اول که تغییر فاز از جامد بهجامد است به دلیل اینکه انتقال گرما بسیار آهسته و اندک می‌باشد مناسب نیست. درحالت دوم یعنی تغییر فاز از مایع به گاز هم به دلیل نیاز به گرما و حرارت بالا وهمچنین ایجاد حجم فشار بالای گاز عملی نمی‌باشد. اما در تغییر فاز از جامد به مایعشرایط مناسب تر است و سبب کاربرد مصالح تغییر فاز دهنده ای شده که در دمای ثابت باجذب گرما از فاز جامد به مایع تغییر حالت میدهند . این مواد انرژیرا تقریباً در همان دمایی که جذب می‌کنند، آزاد نیز می‌کنند.به این مفهوم که طی فرآیند تغییر حالت ، دمای خود را برای طول مدت تغییر حالت حفظمیکند . در واقع روش کار این مواد به این صورت است که طی فرآیند گرم شدن محیط ،‌بصورتموازی با محیط گرم میشوند تا زمانی که به دمای ذوب خود ( تغیر فاز از جامد به مایع) برسند . پس از رسیدن به این دما ،‌ علیرغم اینکه دمای محیط همچنان به روندافزایشی خود ادامه میدهد ،‌دمای این مواد و البته محیط اطراف آن به دلیل اینکه درحالت تغییر فاز است ،‌ثابت مانده و در برابر افزایش مقاومت مینماید ( دمای پافشاری) . در واقع طی این بازه زمانی که معمولا چند ساعت نیز به طول می انجامد ،‌ مادهتغییر فاز دهنده مقادیر زیادی از گرمای محیط را به خود جذب میکند ولی انرا صرفافزایش دمای خود نمیکند بلکه این گرمای جذب شده را صرف تغییر فاز خود از جامد بهمایع نموده و صرف این فرآیند دمای خود و محیط اطرافش را ثابت نگه میدارد .

انواع مواد تغییر فاز دهنده
در منابع مختلفدسته بندی های مختلفی برای مواد تغییر فاز دهنده وجود دارد از جمله دمای نقطه ذوبیا حالت تغییر فاز ، ولی فصل مشترک آنهامواد تغییر فاز دهنده را بر اساس نوع ساختار به سه دسته آلی ، غیر آلی و یوتکتیکتقسیم میکنند : مواد آلی اززنجیره های بلند کربن و هیدروژن تشکیل شده اند و بدلیل ظرفیت گرمای نهان بیشتر ،دمای فاز انتقال مناسب ، عدم فساد پذیری ، ذوب یکنواخت و خصوصیات فیزیکی و شیمیاییپایدار بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند اما این مواد برخی کاستی هایی چون هدایتحرارتی کم ، قابل اشتعال بودن، قدرت نفوذ کم مایع حین تغییرحالت و افزایش حجم زیاد استفاده از آنها را در عمل محدود کرده است . مواد تغییرفاز دهنده آلی به دو دسته پارافین ها و غیر پارافین ها تقسیم میشوند . مواد غیر آلی نسبت به مواد آلی گرمای ذوب در واحد جرمبالاتر ، هزینه کمتر ، اشتعال پذیری کمتر ، تغییر فاز سریعتر ، قابلیت هدایتحرارتی زیاد و تغییر فاز سریعتری دارند . با این حال این مواد معایبی چون دو فازشدن در نقطه مادون سرد ، عدم پایداری ، خوردگی و تجزیه شدن دارند که مزایای آن راتحت الشعاع قرار میدهد . این مواد به سه دسته هیدراتهای نمک ، محلولهای نمک وفلزات تقسیم میشوند که در این میان هیدراتهای نمک شناخته شده ترین آنهاست کهکاربرد زیادی در صنعت ساختمان بدلیل چگالی ذخیره سازی حجمی قابل توجه ، هدایتحرارتی بالاو قیمت پایین در مقایسه با مواد تغییر فاز دهند آلی دارد . یوتکتیک ها از ترکیب حداقل دو ماده تغییر فاز دهنده دیگرتشکیل میشوند . این ترکیب میتواند شامل مواد آلی آلی یا مواد آلی غیر آلی با مواد غیر آلی غیر آلی باشد . این مواد نمک های محلول در آب هستند کهدمای تغییر فاز در آنها کمتر از صفر درجه سلسیوس است . جدایی اجزای این مواد بسیاربعید است زیرا تغییر فاز آنها بدون تفکیک اجزاست و در طول فرآیند ذوب ،‌ تمام اجزابطور همزمان تغییر حالت میدهند .

شیوه های کاربرد موادتغییر فاز دهنده
مواد تغییر فاز دهنده در سه فرم ماده خام ( Raw pcm ) ،‌ ماکرو ( Macro pcm ) و میکرو ( Micro pcm ) میتوانند مورد استفاده قرار بگیرند . اما از آنجاکه کاربرد این مواد به صورت خام با توجه به نوع ماده تغییر فاز دهنده میتواندمعایبی در پی داشته باشد و نیز با توجه به قابلیت جاری شدن مواد تغییر فاز دهندهدر فاز مایع ،‌نیاز به محفظه هایی خواهد بود که در فاز مایع به عنوان ظرف حاوی اینمواد عمل نماید . لذا این معمولا این مواد به صورت بسته هایی از دو نوع ماکرو ومیکرو در صنایع مختلف مورد استفاده قرار میگیرند . جهت تهیه هر دو نوع ماکرو ومیکرو مواد تغییر فاز دهنده درون محفظه هایی تعبیه شده و اصطلاحا کپسوله میشوند .تفاوت عمده میان دو روش میکرو کپسول و ماکرو کپسول در اندازه محفظه ها یا کپسولهایمورد استفاده است . در روش میکرو کپسول مواد درون کره هایی به قطر ۱ تا ۳۰میکرومتر تعبیه میشوند . به عنوان نمونه برای حل مشکل اشتعال پذیری پارافین ازفلزاتی چون هیدروکسید منیزیم و تری هیدرات آلومینیوم که مانع آتش گیری می شوند استفادهمی شود. این هیدروکسیدها به صورت پودر نانومتری به ماده تغییر فاز دهنده اضافه می شوند.گاهی نیز به دلیل اینکه رزین های فرمالدهید سمی هستند از مواد غیرآلی مانند SiO2به عنوان پوسته استفاده میشود که یک ماده آمورف و PCMمانند پارافین داخل آن قرار می گیرد؛ از طرف دیگر SiO2ضدآتش بوده و ظرفیت گرماییپارافین را افزایش می دهد. در روش ماکرو کپسول مواد در محفظه های بزرگتری بصورت صورتپاکت یا ظروف از جنس های مختلف جاسازی می شوند . عمده این محفظه ها از جنسهپاکتهای پلاستیکی و نیز پانلهای سخت ساخته شدن از پلی اتیلن با دانسیته بالا هستند. نمونه ای از مواد تغییر فاز دهنده را بصورت ماکرو کپسول و میکرو کپسول را نشانمیدهد . هر دو روش میکرو کپسول و ماکرو کپسول مزایا و معایبی دارند . در صنایعساختمانی استفاده از دو روش اما با توجه به محل مورد استفاده و نیز در ترکیب بامصالح ساختمانی دیگر کاربرد هر روش تفاوتهای عمده ای در نتایج و رفتار حرارتیساختمان ایجاد میکند .

کاربرد مواد تغییر فازدهنده

از مواد تغییر فاز دهنده زمانی استفاده میشود که بین زمانوجود انرژی و زمان نیاز به آن اختلاف وجود داشته باشد . از آنجا که مواد تغییر فازدهنده در طیف مختلفی از نقاط ذوب وجود دارند ، مهمترین ویژگی تعیین کننده کاربرداین مواد نقطه ذوب آنهاست در شکل ۳ نقاط ذوب تعدادی از این مواد نشان داده شده است. موادی که زیر ۱۵ درجه سانتیگراد ذوب میشوند برای خنک کردن و تهویه هوای اتاققابلیت استفاده دارند . موادی که بالای ۹۰ درجه دمای ذوب دارند ، برای کاهش دما درجاهایی که ممکن است دما به طور ناگهانی بالا رود به عنوان عامل ممانعت از حریقکاربرد برد دارند . این مواد برای سرمایش و گرمایش در مقیاس کوچک نیز کاربرد ویژهدارند ،‌ به عنوان مثال میتوان اجاقهای گرم کننده غذا با استفاده از یک لایه ازاین مواد یا تری هیدرات استات سدیم برای گرم کننده های دست در زمستان نام برد .
از این مواد در صنایع پوشاک و نساجی ، سستمهای اطفا حریق ،ذخیره انرژی خورشید ، تثبیت کننده دما در حمل و نقل دارو و مواد غذایی ، روکشصندلی و سقف خودروها ، فرآورده های خونی و امور پزشکی ، محافظت از مواد غذایی ،صنایع الکترونیک ، صنایع کشاورزی ،مخابرات ، هوافضا و صنایع ساختمانی استفاده میشود .

کاربرد مواد تغییر فازدهنده در ساختمان
بطور کلی از مواد تغییر فاز دهنده در صنعت ساختمان برایتامین آسایش برودتی و حرارتی ( به روش فعال و غیر فعال ) ، حفاظت در برابر آتش بااستفاده از موادی که دمای ذوب بالای ۹۰ درجه سلسیوس دارند ، ذخیره انرژی توسطسیستمهای خورشیدی ، دیوار ترومپ ، عایق شفاف در پنجره های شیشه ای ، در آبگرمکنخورشیدی با استفاده از حجم بالای انرژی خورشیدی که این مواد در روز ذخیره کرده ودر شب برای کاربردهایی نظیر گرمایش و تامین آب گرم مصرفی استفاده میشوند ، کاهشمصرف انرژی در عملکرد حرارتی بام سبز ، جلوگیری در افت بازده در پنل های خورشیدیفتو ولتائیک و آبگرمکن الکتریکی استفاده میشود . روشهای کاربرد این مواد در صنعت ساختمان را میتوان به سه دسته کلی : بهعنوان مصالح ساختمانی ، به عنوان یکی از اجزای ساختمان و به عنوان جزئی از تجهیزاتسرمایش و گرمایش ساختمان تقسیم بندی نمود . در ادامه نمونه هایی از مواد تغییر فازدهنده در هر یک از دسته بندی های فوق معرفی خواهد شد :
کاربرد به عنوان مصالحساختمانیدر این مصالح از مواد تغییر فاز دهنده درحالت میکرو کپسولاستفاده میشود . جنس میکروکپسولهای مورد استفاده در مصالح ساختمانی باید به گونهای انتخاب شود که در مقابل نیروهای مکانیکی ، گرما و بسیاری از مواد شیمیایی مقاومباشد . با توجه به اندازه بسیار ریز میکرو کپسولها ، میتوان این مواد را در انواعمصالح ساختمانی دارای خلل و فرج در حین تولید ملات و به عنوان مواد افزودنیاستفاده نمود . از جمله موارد این کاربرد به این صورت استفاده در آجرها ،‌ بتندیوار یا سقف و یا تخته های گچی حاوی این مواد اشاره کرد . یکی از محصولات تولیدشده از مواد تغییر فاز دهنده محصولی از دانه های پارافین محصور شده در یک پلیمراست (Micronal) که میتواند میتواند به صورت میکرو کپسولهایی به قطر ۵میکرون با گچ یا بتن مخلوط شود .یا یکی دیگر از این محصولات(MaxitClima) را میتوان بر روی گچ نیز اسپری کرد. دیوار باضخامت ۳ سانتی متر ساخته شده از این محصول دارای جرم حرارتی معادل با دیوار ۸سانتیمتری بتنی و دیوار ۱۳ سانتیمتری آجری دارد . از مزایای این روش سهولت استفادهو از معایب آن هزینه بالای تولید میکروکپسولهاست .
کاربرد به عنوان یکی ازاجزای ساختمان
در این حالت مواد تغییر فاز دهنده در حالت ماکرو کپسول هاییبه صورت یکی از اجزای اصلی ساختمان در جداره ها ، سقف و عایق پنجره به کار میرود .در این حالت اجزای ساختمان به عنوان توده حرارتی با ایجاد سرمایش ایستا حرارتمازاد داخلی راجذب ، ذخیره و آزاد کرده و سبب ایجاد آسایش حرارتی میشود . در صورت استفادهاز حالت ماکرو کپسول این مواد امکان استفاده از آنها در فضاهای کوچک مانند خلل و فرجمصالح از بین رفته ،‌ لذا به فضای بزرگتری برای جا دادن این مواد نیازمندیم . از جملهموارد این کاربرد به این نحو میتوان به پانلهای مهار شده با فریمهای فلزی بین جدارهها یا در سقف اشاره نمود .پانل های سخت یا انعطاف پذیر حاوی این مواد امروزه در بازارموجود بوده و بصورت تولید انبوه به شکل رولهای بسته بندی شده و یا پانلهای سخت قابلعرضه میباشد . علاوه بر آن میتوان از پاکتای حاوی این مواد در فواصل میانیمصالح ساختمان استفاده کرد . آجرهای ترکیبی ساخته شده با مواد تغییر فاز دهنده ومواد تغییر فاز دهنده ترکیب شده با عایقهای حرارتی از جمله این نمونه ها هستند . پاکتهایمواد تغییر فاز دهنده را در فواصل جداره های ساختمان و در ترکیب با بلوکهای آجریبه عنوان لایه میانی نشان میدهد . نوع مرسوم استفاده ازپانلهای سخت این مواد ، استفاده ازصفحات سخت عایقهای شفاف در مقابل شیشه های پنجره های ساختمان است که بواسطه شفافیتخود بدون مسدود نمودن نور بدلیل دارا بودن هدایت حرارتی پایین و البته قابلیتانتقال نور در حالت مایع مورد استفاده قرار میگیرند .
کاربرد در تجهیزات سرمایشی و گرمایشیسیستمهای تهویه مطبوع جهت تامین آسایش حرارتی و برودتیساختمان عمدتا مصرف انرژی بالای دارند ، سیستم های سرمایش و گرمایش مطبوع ۶۰ ٪‌ درصد از انرژی مصرفی کل ساختمان را به خود اختصاص میدهند. همین عامل سبب شده تا از روش ماکروکپسول در این وسایل با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده ای چون پارافینها ، نمکهایهیدرات و یا مواد ترکیبی در پاکتهای پلاستیکی یا پانلهای سخت برای بهبود عملکرداین سیتسمها و کاهش مصرف انرژی در آنها استفاده شود . من جمله با بهره گیری ازمواد تغییر فاز دهنده با نقطه ذوب زیر ۱۵درجه سلسیوس برای تامین سرمایش ، داخلسیستم تهویه مطبوع نظیر فن کویل ، کولر و .... میتوان استفاده کرد . همچنیناستفاده از این مواد در سیستمهای آبگرمکن های خورشیدی باعث از بین رفتن محدودیتزمانی آنها در زمان عدم وجود خورشید است . استفاده از این مواد باعث میشود تا حجمبالایی از انرژی خورشید را در طول ساعات روز ذخیره نمود و در طول ساعات شب از همینانرژی برای کاربردهایی نظیر گرمایش یا تامین آب گرم مصرفی استفاده نمود .
 
آخرین ویرایش:
بالا