نویسنده: امید حملهداری "دانشجوی ارشد مهندسی و علم مواد دانشگاه صنعتی اصفهان"
"مقدمه"
مواد تغییر فاز دهنده یا (PCM) موادی هستند که با تغییر فاز فیزیکی خود (مانند جامد به مایع یا بالعکس) انرژی حرارتی را به صورت گرمای نهان ذخیره یا آزاد میکنند. این مواد به دلیل توانایی بالای خود در مدیریت انرژی حرارتی، کاربردهای گستردهای در صنایع مختلف از جمله ساختمانسهای هوشمند، سیستمهای گرمایشی و سرمایشی، نساجی، الکترونیک و حتی هوافضا پیدا کردهاند. PCMها به دو دسته اصلی آلی (مانند پارافینها و اسیدهای چرب) و غیرآلی (مانند نمکهای هیدراته و فلزات) تقسیم میشوند و همچنین ترکیبات یوتکتیک که ترکیبی از هر دو دسته هستند، نیز وجود دارند.
"ویژگیها و مکانیزم عملکرد PCMها"
در مرحله نخست، زمانی که دمای محیط افزایش مییابد و به نقطه ذوبPCM میرسد، فرآیند ذوب و ذخیره انرژی آغاز میشود. در این شرایط، ماده شروع به تغییر فاز از جامد به مایع میکند و در طی این فرآیند، مقدار قابل توجهی گرما را جذب میکند. با وجود جذب انرژی، دمای ماده تقریباً ثابت باقی میماند، زیرا انرژی دریافتی صرف شکستن پیوندهای بینمولکولی و تغییر ساختار فیزیکی آن میشود. پس از کامل شدن فرایند ذوب، ماده در فاز مایع پایدار میماند. در این حالت، انرژی حرارتی جذبشده به صورت نهان در ساختار مایع ذخیره میشود. این ویژگی به PCM امکان میدهد نوسانات حرارتی محیط را کاهش داده و به عنوان یک تنظیمکنندهی دما عمل کند، بدون اینکه خود دچار تغییر دمای محسوس شود.
در مرحله سوم، با کاهش دمای محیط، PCM به حالت جامد بازمیگردد. در این فرآیند که با بلورین شدن همراه است، انرژی حرارتی ذخیرهشده در فاز مایع بهتدریج آزاد میشود. این آزادسازی گرما باعث تثبیت دمای محیط در یک محدوده معین شده و از کاهش شدید دما جلوگیری میکند.
مهمترین ویژگیهای PCMها عبارتند از:
دمای ذوب مشخص: مناسب برای کاربردهای خاص (مانند 20-30 درجه سلسیوس برای سیستم گرمایش در ساختمانها).
گرمای نهان بالا: برای ذخیره انرژی بیشتر در حجم کمتر.
پایداری شیمیایی و حرارتی: برای حفظ عملکرد در چرخههای متعدد ذوب و انجماد.
هدایت حرارتی مناسب: برای انتقال سریعتر انرژی.
سازگاری با مواد محفظه نگهداری: برای جلوگیری از خوردگی یا نشت.
"کاربردهای PCMها"
o ساختمانهای هوشمند
یکی از مهمترین کاربردهای PCMها در ساختمانهای هوشمند، مدیریت انرژی حرارتی برای کاهش مصرف انرژی و بهبود شرایط دمایی ساختمان است. این مواد در دیوارها، سقفها، کفها، پنجرهها و حتی در ستون های مخصوصی به کار میروند تا دمای داخلی را در محدوده (20-25 درجه سلسیوس) حفظ کنند. به عنوان مثال:
دیوارهای پیشساخته با PCM: این دیوارها با میکروکپسولهای PCM پر شدهاند که گرمای اضافی محیط را در طول روز جذب و در شب آزاد میکنند. تحقیقات نشان دادهاند که این روش میتواند مصرف انرژی را تا 40% کاهش دهد.
شیشههای هوشمند: شیشههای دوجداره حاوی PCM در سوئیس توسعه یافتهاند که با جذب گرما در روز، از افزایش دمای داخلی جلوگیری میکنند.
کفپوشهای گرمایشی: در سیستمهای گرمایش از کف استفاده میشوند تا گرما را به طور یکنواخت توزیع کرده و نیاز به سیستمهای گرمایشی مداوم را کاهش دهند.
ستون های شیشه ای دارای مواد PCM: در این ستون ها، مواد PCM به صورت گرانول های بزرگ پرشدهاند و در طول روز با ذخیره گرما، دمای داخل را کنترل و در شب با آزادسازی این گرما دمای محیط را گرم نگه میدارد.
آبگرمکنهای خورشیدی: گرمای خورشید را در طول روز ذخیره کرده و در شب برای تأمین آب گرم استفاده میکنند.
سیستمهای اطفای حریق: با دمای ذوب بالای 90 درجه سانتیگراد در سیستمهای مقاوم در برابر آتشسوزی به کار میروند تا از افزایش دما و گسترش آتش جلوگیری کنند.
o سایر صنایع
نساجی: در پارچههای هوشمند برای تنظیم دمای بدن در لباسهای ورزشی، لباسهای نظامی و حتی ملحفهها استفاده میشوند. این مواد با فناوری میکروکپسول یا نانوالیاف در پارچهها ادغام میشوند.
الکترونیک: در خنکسازی باتریها و تجهیزات الکترونیکی مانند سرورها و باتریهای لیتیوم-یون به کار میروند تا از افزایش دما و کاهش عمر مفید جلوگیری کنند.
هوافضا: در ماموریتهای فضایی مانند آپولو 15، PCMها برای کنترل دمای تجهیزات در برابر تغییرات شدید دمایی استفاده شدند.
حملونقل مواد غذایی و دارویی: برای حفظ دمای ثابت در حملونقل محصولات حساس مانند داروها و مواد غذایی سرد یا گرم استفاده میشوند.
"جدیدترین ترکیبات و پیشرفتهای PCMها"
با پیشرفت فناوری، ترکیبات جدید و بهبودیافتهPCMها توسعه یافتهاند که محدودیتهای قبلی مانند هدایت حرارتی پایین، ناپایداری و خورندگی را برطرف کردهاند:
1.PCMهای نانوکامپوزیتی
افزودن نانوذرات مانند گرافن، نانولولههای کربنی و سیلیکا بهPCMها، هدایت حرارتی آنها را به طور قابلتوجهی افزایش داده است. به عنوان مثال:
پارافین/گرافن:این نانوکامپوزیت برای خنکسازی باتریهای لیتیوم-یون استفاده میشود و پایداری حرارتی بالایی دارد.
2.PCMهای زیستسازگار
با توجه به نگرانیهای زیستمحیطی، PCMهای زیستسازگار مبتنی بر موادی مانند اسیدهای چرب استخراجشده از روغنهای گیاهی (مانند اسید استئاریک) توسعه یافتهاند. این مواد غیرسمی، قابلبازیافت و سازگار با محیطزیست هستند.
3.PCMهای پلیمری
پلیاتیلن گلیکول (PEG) به عنوان یک PCM آلی با دمای ذوب قابلتنظیم و پایداری بالا، در کاربردهای ساختمانی و نساجی مورد توجه قرار گرفته است. این ماده با نانوالیاف ترکیب میشود تا پایداری ابعادی بهتری داشته باشد.
4.فناوری میکروکپسولهسازی پیشرفته
میکروکپسولهای PCM با پوستههای پلیمری مقاومتر و نانوکپسولها، نشت مواد در فاز مایع را کاهش داده و امکان ادغام در مصالح ساختمانی و پارچهها را بهبود بخشیدهاند.
"چالشها و چشمانداز آینده"
با وجود پیشرفتهای چشمگیر، PCMها همچنان با چالشهایی مواجه هستند:
هدایت حرارتی پایین
هزینه بالا
پایداری بلندمدت
تأثیرات زیستمحیطی
چشمانداز آینده PCMها شامل توسعه مواد ارزانتر، پایدارتر و با کارایی بالاتر است. استفاده از هوش مصنوعی برای طراحی ترکیبات جدید PCM و تلفیق آنها با اینترنت اشیا (IoT) در ساختمانهای هوشمند، ازجمله روندهای نوظهور است. همچنین، تمرکز برPCMهای زیستی و قابلبازیافت، با هدف کاهش اثرات زیستمحیطی، در حال افزایش است.
