למה אנחנו צריכים חומרים לשינוי פאזה?

חומרים לשינוי שלב (PCM) נמצאים בשימוש נרחב בעיקר בגלל שהם מספקים פתרונות ייחודיים ויעילים בניהול אנרגיה, בקרת טמפרטורה והגנה על הסביבה.להלן הסבר מפורט על הסיבות העיקריות לשימוש בחומרים לשינוי פאזה:

1. אגירת אנרגיה יעילה
חומרים לשינוי שלב יכולים לספוג או לשחרר כמות גדולה של אנרגיה תרמית במהלך תהליך שינוי הפאזה.מאפיין זה הופך אותם למדיה יעילה לאחסון אנרגיה תרמית.לדוגמה, כאשר יש מספיק קרינת שמש במהלך היום, חומרים לשינוי פאזה יכולים לספוג ולאגור אנרגיה תרמית;בלילה או במזג אוויר קר, חומרים אלה יכולים לשחרר אנרגיית חום מאוחסנת כדי לשמור על חמימות הסביבה.

2. בקרת טמפרטורה יציבה
בנקודת מעבר פאזה, חומרים לשינוי פאזה יכולים לספוג או לשחרר חום בטמפרטורות כמעט קבועות.זה הופך את PCM למתאימים מאוד ליישומים הדורשים בקרת טמפרטורה מדויקת, כגון הובלה פרמצבטית, ניהול תרמי של מכשירים אלקטרוניים וויסות טמפרטורה פנימית בבניינים.ביישומים אלה, חומרים לשינוי שלב עוזרים להפחית את צריכת האנרגיה ולשפר את יעילות המערכת הכוללת.

3. לשפר את יעילות האנרגיה ולהפחית את צריכת האנרגיה
בתחום האדריכלות, שילוב חומרים לשינוי שלב במבני בניין יכול לשפר משמעותית את היעילות האנרגטית.חומרים אלה יכולים לספוג חום עודף במהלך היום, ולהפחית את העומס על מיזוג האוויר;בלילה הוא משחרר חום ומפחית את דרישות החימום.פונקציית ויסות תרמית טבעית זו מפחיתה את ההסתמכות על ציוד חימום וקירור מסורתי, ובכך מפחיתה את צריכת האנרגיה.

4. ידידותי לסביבה
חומרים לשינוי שלב מורכבים בעיקר מחומרים אורגניים או מלחים אנאורגניים, רובם ידידותיים לסביבה וניתנים למחזור.השימוש ב-PCMs יכול לסייע בהפחתת פליטת גזי חממה וצריכת דלק מאובנים, לתרום להגנת הסביבה ולהשגת יעדי פיתוח בר קיימא.

5. שפר את ביצועי המוצר והנוחות
השימוש בחומרים לשינוי שלב במוצרי צריכה כגון ביגוד, מזרנים או רהיטים יכול לספק נוחות נוספת.לדוגמה, שימוש ב-PCMs בבגדים יכול לווסת את החום בהתאם לשינויים בטמפרטורת הגוף, ולשמור על טמפרטורה נוחה ללובש.שימוש בו במזרן יכול לספק טמפרטורת שינה אידיאלית יותר בלילה.

6. גמישות וכושר הסתגלות
ניתן לעצב חומרים לשינוי שלב בצורות ובגדלים שונים כדי לעמוד בדרישות היישום השונות.ניתן להפוך אותם לחלקיקים, סרטים, או לשלבם בחומרים אחרים כגון בטון או פלסטיק, המספקים רמה גבוהה של גמישות והתאמה לשימוש.

7. שיפור היתרונות הכלכליים
למרות שההשקעה הראשונית בחומרים לשינוי שלב עשויה להיות גבוהה, היתרונות ארוכי הטווח שלהם בשיפור היעילות האנרגטית והפחתת עלויות התפעול הם משמעותיים.על ידי הפחתת ההסתמכות על אנרגיה מסורתית, חומרים לשינוי פאזה יכולים לסייע בהפחתת עלויות האנרגיה ולספק החזר כלכלי.

לסיכום, השימוש בחומרים לשינוי שלב יכול לספק פתרונות ניהול תרמי יעילים, לשפר את הפונקציונליות והנוחות של המוצר ולסייע בקידום פיתוח בר קיימא

מספר סיווגים עיקריים והמאפיינים שלהם של חומרים משנים פאזה
ניתן לחלק חומרים לשינוי שלב (PCMs) למספר קטגוריות בהתבסס על ההרכב הכימי שלהם ומאפייני שינוי השלב, לכל אחד מהם יתרונות ומגבלות ספציפיות ליישום.חומרים אלה כוללים בעיקר PCMs אורגניים, PCMs אנאורגניים, PCMs מבוססי ביו ו-PCMs מרוכבים.להלן מבוא מפורט למאפיינים של כל סוג של חומר לשינוי פאזה:

1. חומרים אורגניים לשינוי פאזה
חומרים לשינוי פאזה אורגניים כוללים בעיקר שני סוגים: פרפין וחומצות שומן.

-פָּרָפִין:
-תכונות: יציבות כימית גבוהה, שימוש חוזר טוב והתאמה קלה של נקודת התכה על ידי שינוי אורך השרשראות המולקולריות.
-חסרון: המוליכות התרמית נמוכה, וייתכן שיהיה צורך להוסיף חומרים מוליכים תרמיים כדי לשפר את מהירות התגובה התרמית.

-חומצות שומן:
-מאפיינים: יש לו חום סמוי גבוה יותר מפרפין וכיסוי נקודת התכה רחב, מתאים לדרישות טמפרטורה שונות.
-חסרונות: חומצות שומן מסוימות עשויות לעבור הפרדת פאזות והן יקרות יותר מפרפין.

2. חומרים לשינוי פאזה אנאורגנית
חומרים לשינוי פאזה אנאורגניים כוללים תמיסות מלח ומלחי מתכת.

-תמיסת מי מלח:
-תכונות: יציבות תרמית טובה, חום סמוי גבוה ועלות נמוכה.
-חסרונות: במהלך ההקפאה עלולה להיווצר דלמינציה והיא קורוזיבית, הדורשת חומרי מיכל.

-מלחי מתכות:
-תכונות: טמפרטורת מעבר פאזה גבוהה, מתאימה לאחסון אנרגיה תרמית בטמפרטורה גבוהה.
-חסרונות: ישנן גם בעיות קורוזיה ופגיעה בביצועים עלולה להתרחש עקב התכה והתמצקות חוזרות ונשנות.

3. חומרים לשינוי פאזה מבוססי ביו
חומרים לשינוי פאזה מבוססי ביו הם PCMs המופקים מהטבע או מסונתזים באמצעות ביוטכנולוגיה.

-מאפיינים:
-ידידותי לסביבה, מתכלה, ללא חומרים מזיקים, עונה על הצרכים של פיתוח בר קיימא.
-ניתן להפיק אותו מחומרי גלם מהצומח או מהחי, כגון שמן צמחי ושומן מן החי.

-חסרונות:
-ייתכנו בעיות עם עלויות גבוהות ומגבלות מקור.
היציבות התרמית והמוליכות התרמית נמוכות יותר מאשר PCMs מסורתיים, ועשויים לדרוש שינוי או תמיכה בחומרים מרוכבים.

4. חומרים מרוכבים לשינוי פאזה
חומרים מרוכבים לשינוי פאזה משלבים PCMs עם חומרים אחרים (כגון חומרים מוליכים תרמיים, חומרי תמיכה וכו') כדי לשפר תכונות מסוימות של PCMs קיימים.

-מאפיינים:
-על ידי שילוב עם חומרים מוליכות תרמית גבוהה, ניתן לשפר משמעותית את מהירות התגובה התרמית והיציבות התרמית.
-ניתן לבצע התאמה אישית כדי לעמוד בדרישות יישום ספציפיות, כגון שיפור החוזק המכני או שיפור היציבות התרמית.

-חסרונות:
-תהליך ההכנה עשוי להיות מורכב ויקר.
-דרושות טכניקות התאמה ועיבוד מדויקות של חומרים.

לחומרים אלו לשינוי שלב יש לכל אחד את היתרונות הייחודיים ואת תרחישי היישום שלו.הבחירה בסוג ה-PCM המתאים תלויה בדרך כלל בדרישות הטמפרטורה של האפליקציה הספציפית, תקציב העלויות, שיקולי ההשפעה על הסביבה וחיי השירות הצפויים.עם העמקת המחקר ופיתוח הטכנולוגיה, פיתוח חומרים לשינוי שלב

היקף היישום צפוי להתרחב עוד יותר, במיוחד באחסון אנרגיה וניהול טמפרטורה.

מה ההבדל בין חומרים לשינוי פאזה אורגניים לחומרים לשינוי פאזה אינסופי?

חומרים לשינוי פאזה אורגנית, PCM וחומרי שינוי פאזה אורגניים הם שתיהן טכנולוגיות המשמשות לאחסון אנרגיה ובקרת טמפרטורה, אשר סופגות או משחררות חום על ידי המרה בין מצב מוצק לנוזל.לשני סוגי החומרים הללו לכל אחד מאפיינים ואזורי יישום משלהם, ולהלן כמה מההבדלים העיקריים ביניהם:

1. הרכב כימי:
-חומרים לשינוי פאזה אורגניים: כולל בעיקר פרפין וחומצות שומן.חומרים אלו הם לרוב בעלי יציבות כימית טובה והם לא יתפרקו במהלך תהליכי התכה והתמצקות.
-חומרים לשינוי פאזה אנאורגנית: כולל תמיסות מלח, מתכות ומלחים.לחומר מסוג זה מגוון רחב של נקודות התכה, וניתן לבחור נקודת התכה מתאימה בהתאם לצרכים.

2. ביצועים תרמיים:
-חומרים לשינוי פאזה אורגניים: בדרך כלל בעלי מוליכות תרמית נמוכה יותר, אך חום סמוי גבוה יותר במהלך התכה והתמצקות, כלומר הם יכולים לספוג או לשחרר כמות גדולה של חום במהלך שינוי פאזה.
-חומרים לשינוי פאזה אנאורגנית: לעומת זאת, לחומרים אלו יש בדרך כלל מוליכות תרמית גבוהה יותר, המאפשרת העברת חום מהירה יותר, אך החום הסמוי שלהם עשוי להיות נמוך יותר מחומרים אורגניים.

3. יציבות מחזור:
-חומרים לשינוי פאזה אורגניים: בעלי יציבות רכיבה טובה ויכולים לעמוד בתהליכי התכה והתמצקות מרובים ללא ירידה משמעותית או שינוי בביצועים.
-חומרים לשינוי פאזה אנאורגנית: עשויים להפגין פירוק או ירידה בביצועים לאחר מספר מחזורים תרמיים, במיוחד חומרים הנוטים להתגבשות.

4. עלות וזמינות:
-חומרים לשינוי פאזה אורגניים: הם בדרך כלל יקרים, אך בשל יציבותם ויעילותם, עלות השימוש שלהם לטווח ארוך עשויה להיות נמוכה יחסית.
-חומרים לשינוי פאזה אנאורגנית: חומרים אלו הם בדרך כלל זולים וקלים לייצור בקנה מידה גדול, אך עשויים לדרוש החלפה או תחזוקה תכופים יותר.

5. אזורי יישום:
-חומרים לשינוי פאזה אורגניים: בשל יציבותם ותכונותיהם הכימיות הטובות, הם משמשים לעתים קרובות בוויסות טמפרטורה של מבנים, ביגוד, מצעים ותחומים אחרים.
-חומרים לשינוי פאזה אנאורגנית: נפוץ ביישומים תעשייתיים כגון אחסון אנרגיה תרמית ומערכות שחזור חום פסולת, שיכולות לנצל את המוליכות התרמית הגבוהה וטווח נקודות ההיתוך שלהם.

לסיכום, בעת בחירת חומרים אורגניים או חומרים לשינוי פאזה, יש לקחת בחשבון גורמים כגון דרישות יישום ספציפיות, תקציב וביצועים תרמיים צפויים.לכל חומר היתרונות והמגבלות הייחודיים לו, המתאימים לתרחישי יישום שונים.