Vật liệu chuyển pha

Vật liệu chuyển pha là vật liệu có nhiệt nóng chảy cao, nóng chảy và đông cứng xung quanh một nhiệt độ ổn định, có khả năng thu nhận hoặc giải phóng nhiệt lượng lớn. Khi vật liệu đông cứng, nó tỏa nhiệt, khi vật liệu nóng chảy, nó thu nhiệt. Vật liệu này đóng vai trò bộ phận dự trữ nhiệt, giúp ổn định nhiệt độ cho các hệ thống sử dụng chúng.

Tính chất
Dự trữ nhiệt năng thông qua chuyển pha có thể được thực hiện khi chuyển trạng thái rắn-rắn, rắn-lỏng (hiện tượng nóng chảy), rắn-khí (hiện tượng thăng hoa), khí-lỏng (hiện tượng bay hơi). Tuy nhiên chuyển pha khí-lỏng hay rắn-khí gây ra thay đổi thể tích lớn, còn chuyển pha rắn-rắn dự trữ ít nhiệt; dẫn đến chuyển pha rắn-lỏng được sử dụng nhiều trong các ứng dụng ổn nhiệt.

Trong hiện tượng nóng chảy, khi nhiệt độ của vật liệu nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy, nó ở trạng thái rắn. Cung cấp nhiệt cho vật liệu, nhiệt độ cửa nó tăng lên cho tới khi nó bắt đầu nóng chảy. Nhiệt độ của vật liệu giữ nguyên ở nhiệt độ nóng chảy, dù có cấp thêm nhiệt lượng, chừng nào vật liệu chưa tan chảy hết. Đây chính là tính chất giúp ổn nhiệt của vật liệu. Khi vật liệu tan chảy hết, nhiệt độ nó lại tiếp tục tăng khi cấp nhiệt lượng.

Ngược lại, khi nhiệt độ trong môi trường xung quanh giảm thấp; vật liệu tỏa nhiệt ra môi trường và bắt đầu đông cứng. Nhiệt độ của vật liệu sẽ giữ nguyên ở nhiệt độ nóng chảy, chừng nào nó chưa đông cứng hết.

Có một dải rộng các vật liệu chuyển pha có nhiệt độ nóng chảy trong khoảng từ -5 tới 190 oC,M. Kenisarin and K. Mahkamov, Renewable & Sustainable Energy Reviews 11 (2007) 1913-1965 phục vụ cho các ứng dụng ổn nhiệt khác nhau. Với ứng dụng điều hòa nhiệt độ phù hợp cho sinh hoạt của con người, tầm 20° to 30 °C, một số vật liệu đã được phát triển, chứa từ 5 đến 14 nhiệt lượng trên mỗi đơn vị thể tích hơn các vật liệu thông thường như nước, đá.

Một số vật liệu

Các muối hyđrát, axít béo và este (CH3(CH2)2nCOOH), và một số loại sáp nến (CnH2n+2) được dùng trong xây dựng. Một số chất lỏng iôn hóa cũng được nghiên cứu. Đa số các vật liệu này khi sử dụng cần được bọc bên ngoài bằng các túi đựng hoặc các vật liệu chống đỡ khác.

Vật liệuHữu cơĐiểm nóng chảyoCNhiệt nóng chảykJ·kg−1Nhiệt nóng chảyMJ·m−3cprắnkJ·kg−1·K−1cplỏngkJ·kg−1·K−1ρrắnkg·m−3ρlỏngkg·m−3krắnW·m−1·K−1CrắnkJ·m−3·K−1ClỏngkJ·m−3·K−1erắnJ·m−2·K−1·s−1/2Chi phíUSD·kg−1Nước  Không               1.6HyperPhysics, most from Young, Hugh D., University Physics, 7th Ed., Addison Wesley, 1992. Table 15-5. (most data should be at 293 K (20oC;68oF))-2.22http://www.engineeringtoolbox.com/ice-thermal-properties-d_576.html        Axít lauric  A. Sari et al. Energy Convers. Manage 43 (2002) 2493H. Kakuichi et al., IEA annex 10 (1999)                        TME(63%w/w)+H2O(37%w/w)                         Mn(NO3)2·6H2O+MnCl2·4H2O(4%w/w)  K. Nagano et al. Appl. Therm. Eng. 23 (2003) 229Y. Zhang et al.  Meas. Sci. Technol 10 (1999) 201  15 - 25                      Na2SiO3·5H2O(ngậm 5 nước)                 .103−.128        Nhôm                http://www.goodfellow.com/E/Aluminium.html        Đồng                 http://www.goodfellow.com/E/Copper.html        Vàng                http://www.goodfellow.com/E/Gold.html        Sắt                 http://www.goodfellow.com/E/Iron.html        Chì                 http://www.goodfellow.com/E/Lead.html        Lithi                 http://www.goodfellow.com/E/Lithium.html        Bạc                 http://www.goodfellow.com/E/Silver.html        Titan                 http://www.goodfellow.com/E/Titanium.html        Thiếc                 http://www.goodfellow.com/E/Zinc.html        

Công nghệ
Công nghệ bọc giữ các vật liệu chuyển pha bao gồm:

Bọc vĩ mô: vật liệu được bọc trong các túi đựng (như hình cầu, hình trụ). Công nghệ này có nhược điểm là độ dẫn nhiệt thấp, và các vật liệu có xu hướng đông cứng ở rìa gần vỏ bọc, giảm đáng kể tính dẫn nhiệt của hệ thống.
Bọc vi mô: trong công nghệ này, vật liệu chống đỡ truyền thống, như bê tông trong vật liệu xây dựng, có những lỗ rỗng nhỏ, chứa đầy các vật liệu chuyển pha. Các hạt vật liệu chuyển pha cũng có thể được phủ lên lớp bảo vệ mỏng và thả vào chất lỏng như nước.
Bọc phân tử: là công nghệ phát triển bởi Dupont de Nemours cho phép ngấm vật liệu chuyển pha ở mật độ cao lên các polyme. Nhiệt lượng dự trữ có thể tới 515 kJ/m2 cho những miếng dày 5 mm (103 MJ/m³). Phương pháp này cho phép việc khoan cắt không làm rò rỉ vật liệu chuyển pha.

Một số hệ thống sử dụng vật liệu composit chuyển pha, có thể là lưới kim loại nhúng trong sáp nến; trong đó lưới kim loại đem lại tính dẫn nhiệt và chịu lực mong muốn, còn sáp nến đem lại khả năng ổn nhiệt.

Tham khảo

Liên kết ngoài
 PCM University
 PureTemp Renewable PCM
 Council House 2 (CH2) PCM System Explanation 
 Micro-encapsulated Salt Hydrates

Thể loại:Kỹ thuật xây dựng
Thể loại:Công nghệ bền vững
Thể loại:Xây dựng bền vững
Thể loại:Hóa lý