Фазозмінні матеріали (PCM)

Принцип PCM: прихована теплота

Фазозмінні матеріали (Phase Change Materials, PCM) зберігають і вивільняють велику кількість теплоти при постійній або майже постійній температурі за рахунок фазового переходу (найчастіше тверде тіло ↔ рідина). Прихована теплота плавлення (L, кДж/кг або кДж/моль) може бути в 5–15 разів вища за теплоємність тих самих матеріалів за ΔT=10°C.

⚠ Три типи PCM

Органічні (парафіни, жирні кислоти, поліетиленгліколь): Tm = 10–80°C, L = 150–260 кДж/кг, хімічно стабільні, ненебезпечні, але низька λ (0.1–0.3 Вт/м·К) та помірна щільність.

Неорганічні (гідрати солей, LiNO₃, Na₂CO₃): Tm = 25–120°C, L = 150–300 кДж/кг, висока λ (0.4–1.5 Вт/м·К), але: переохолодження, фазова сегрегація при багатьох циклах, деякі токсичні чи корозійні.

Евтектики (суміші): точна суміш 2+ компонентів → евтектична точка → одна T плавлення. Налаштування Tm на точне значення. Наприклад: 18%ZnCl₂ + 82%NaCl → Tm=206°C.

Неорганічні PCM: гідрати солей

Glauber's Salt (Na₂SO₄·10H₂O)

Tm = 32.4°C, L = 251 кДж/кг, λ = 0.544 Вт/м·К. Перша комерційна PCM-система: Maria Telkes 1947 'Dover Sun House' solar heating. Проблема: incongruent melting → Na₂SO₄·10H₂O плавиться: Na₂SO₄ осідає на дно → поділяється → щоразу менша ефективність. Рішення: thickners (CMC) + ущільнений матеріал + вертикальні капіляри → краще перемішування.

Кальцій хлорид гідрат (CaCl₂·6H₂O)

Tm = 29.9°C, L = 192 кДж/кг, λ = 1.09 Вт/м·К (набагато краще, ніж парафін!). Доступний: широко використовується в будівльних PCM. Проблема: переохолодження до 10–15°C → нуклеатор потрібен. Corrodes steel → потрібні HDPE або Al контейнери. Застосування: residential TES, cold-chain packaging.

Na₂HPO₄·12H₂O (дип'єфосфат)

Tm = 35.2°C, L = 265 кДж/кг (одна з найвищих серед гідратів). λ = 0.514 Вт/м·К. Стабільніша ніж Na₂SO₄ при циклуванні. Нуклеатор: Na₂B₄O₇·10H₂O (borax) → зменшує переохолодження до <1°C. Застосування: comfort thermal storage у будівлях (T_мелт=35°C ≈ T_тіла → самопочуття у спеку).

Формований парафін (PCM мікрокапсули)

Щоб уникнути витоку рідкого PCM → мікрокапсуляція: Shell: PMMA або меламін-формальдегід. Core: парафін 20–30°C. Розмір: 2–50 мкм. Додати до цементу або гіпсу → мікрокапсули легко вбудувати. Виробники: BASF Micronal (5 мкм, C18 core), Encapsys, Microtek. Wallboard (гіпсокартон) + 30% Micronal → ефективна акумулювальна маса = 3× звичайна стіна. EN 1745 (Building thermics) + EN ISO 9946 (thermal storage).

Застосування PCM у будівництві

Найбільший ринок PCM — будівництво (~50% ринку 2024). Мета: зменшення піків попиту на охолодження/опалення → зсув навантаження HVAC.

PCM для електробатарей (EV тепломенеджмент)

Акумулятори Li-ion: T_optimal = 20–40°C. Вище 60°C → деградація, thermal runaway. Нижче –10°C → різке падіння ємності. PCM-BTMS (Battery Thermal Management System) = пасивне рішення без насосів/cold plates.

PCM між осередками батарей

n-Eicosane (C20, Tm=37°C) або stearic acid (C18, Tm=69°C) між циліндричними клітинами 18650/21700 або призматичними поспілкуйте. При заряді/розряді → тепло → PCM плавиться → T_cell стабілізується. Недолік: λ_парафін = 0.15 Вт/м·К → повільна теплопередача. Рішення: eFIN (metal expanded graphite + парафін): λ_compound = 3–7 Вт/м·К → задовільне. Порівняння: Air cooling max ΔT = 15–25°C (Tesla S). PCM cooling: max ΔT = 3–8°C!

Expanded Graphite (EG) + PCM

Expanded graphite (worm-like graphite): λ = 200–300 Вт/м·К вздовж; 5–10 Вт/м·К поперек. Проникнутий PCM (impregnation): EG immersed in liquid paraffin → capillary absorption → compound: 90% paraffin + 10% EG → λ_compound = 3–7 Вт/м·К. Форма: конформний block навколо cells. NPCM (nanofluid-enhanced PCM): Al₂O₃, CuO наночастки в PCM → λ ↑ 20–40% при 1–5 вт.%. Обмеження: наночастки осідають при тривких. EV batteries Samsung SDI, LG Chem: PCM+EG прошарки у module-level → Tesla Model 3 competitors research.

PCM для космічних апаратів

Особливий виклик: орбіта Землі → сонячна сторона >+120°C, затінена <–90°C. Сонячна батарея або апаратура не може витримати такі перепади. PCM-TCS (Thermal Control System) = пасивне рішення.

Часті запитання

Парафіни (aliphatic hydrocarbons CₙH₂ₙ₊₂, n=14–28) мають унікальне сполучення: 1) Широкий діапазон Tm: від С14 (Tm=5.5°C) до С28 (Tm=62°C) → можна обрати під бажану T. Різні кількість C → різна Tm. 2) Велика L: 170–260 кДж/кг → найбільша серед органічних за питомою масою. 3) Хімічна стабільність: C-H зв'язки дуже стійкі → не деградують при 1000+ циклах (lab proven without property loss). 4) Нетоксичні та нейтральні: GRAS (generally regarded as safe), не корозійні, можна з металевими контейнерами. 5) Комерційно доступні і недорогі (~$1–5/кг). Недоліки: a) Низька λ: 0.15–0.25 Вт/м·К → повільне розплавлення/тверднення → потрібні finned tubes або EG composites для прискорення; b) Горючі: flash point ~200°C → пожежна безпека у будівлях (вимогує пожежного класу, EN 13501); c) Значне розширення при плавленні: ~15% volume → контейнер + expansion space. Ідеальний для: будівлі з wallboards (Micronal), PCM thermal management (EV батареї low-scale T), cold-chain packaging.

Переохолодження (subcooling) — PCM залишається рідиною нижче Tm до значного переохолодження без кристалізації. Приклад: Na₂SO₄·10H₂O (Tm=32.4°C) → при охолодженні нижче 32.4°C → замість кристалізації залишається рідиною до 18–20°C → при T 15°C раптово кристалізується. Проблема: 1) Втрачається 10–15°C діапазону робочої T → меньша теплова пропускна здатність; 2) Відсутність плавного вивільнення тепла при потрібній T → дискомфорт у будівлях або нестабільність T у батареях. Фізично: кристалізація починається з нуклеації → гетерогенна нуклеація (на стінках контейнера, нуклеаторах) — бажана. Гомогенна нуклеація (у чистій рідині) → потрібне велике переохолодження ΔT_sc = 10–25°C. Рішення: Нуклеатори: Na₂B₄O₇·10H₂O (borax) 1–2% у CaCl₂·6H₂O → зменшує переохолодження до <0.5°C; SrCl₂·6H₂O у Glauber's salt. Encapsulation у малих контейнерах: менший V → швидша гетерогенна нуклеація. Stirring / ultrasonic: механічний вплив → провокує нуклеацію. Органічні PCM (парафіни): практично не переохолоджуються (ΔT <0.5°C) → перевага.

Проектування PCM для будівлі (простий розрахунок): 1) Визначте теплове навантаження Q_peak [Вт·год] — кількість теплоти, яку треба поглинути за час пікового навантаження. Наприклад: кімната 50 м², Q_peak = 3000 Вт впродовж 6 год = 18000 Вт·год = 18 кВт·год = 64.8 МДж. 2) Оберіть PCM зTm ≈ 22–26°C (комфортний діапазон). Наприклад: n-Octadecane, L = 244 кДж/кг. 3) Маса PCM: m = Q_peak / L = 64,800/244 = 265 кг PCM. Об'єм: V = 265/814 = 0.33 м³ (парафін). 4) Корекція: ефективність не 100% → PCM акумулює лише до Tm → якщо T_MAX = Tm+10°C, то деяке sensible теплоакумулювання є, але LS >> cs·ΔT. На практиці: + 30% запасу → 350 кг або 0.43 м³. 5) PCM стіна vs конкретна маса: 0.43 м³ = 25–30 мм шар між двох шарів гіпсокартону (30% PCM wallboard), площа ~ 14 м² → 2 стіни 7×1.5 м. Програмне забезпечення: EnergyPlus (PCM algorithm) та TRNSYS type 1270 → комплексне симулюйте.

Промислові TES зазвичай потребують T > 100°C: 1) Erythritol: Tm=117.7°C, L=339.8 кДж/кг → рекордно! Органічний PCM. λ = 0.73 Вт/м·К (краще парафінів). Застосування: сонячні теплові системи, промислова теплова рекуперація. Проблема: висока вартість (~$5/кг); toxic at high concentration. 2) NaNO₃: Tm=306°C, L=175 кДж/кг, λ=0.5 Вт/м·К. Класичний нітратовий сіль. Solar Two концентрований сонячний: molten salt NaNO₃/KNO₃ (60:40, "Solar Salt") → Tm=220°C combined, L=150 кДж/кг. Gemasolar plant (Іспанія): 16 год теплоakumulyation → 24/7 генерація електрики. 3) KNO₃: Tm=334°C, L=96 кДж/кг. Salt mixture (Solar Salt): комерційний standard для CSP. 4) NaCl: Tm=802°C, L=492 кДж/кг → екстремальна T. AlSi12 aluminium alloy: Tm=576°C, L=555 кДж/кг → металевий PCM для дуже haute T. 5) LiF-CaF₂ eutectic: Tm=767°C, L=816 кДж/кг → вищий Tm, вимагає спеціальних контейнерів. Де: термояд. реакторів концепт TES, сталеливарні завдання.

Сучасна електроніка (CPU, GPU, RF power) виробляє пікові теплові потоки 100–1000 Вт/см², але лише короткочасно. Стаціонарне охолодження: розраховане на пік → oversized, важке, дороге. Рішення: PCM thermal buffer. Конфігурація: PCM (Tm=25–40°C, наприклад галій Tm=29.8°C, або парафін) між chip та liquid cooler. Під час пікового навантаження: PCM плавиться → поглинає тепло → T_chip затримується від зростання → охолоджувач усуває тепло за тривалішим часом. Для мобільних терміналів (ноутбуки): Intel рекомендує PCM thermal interface для core i9 → 10–15°C нижче T_junction при burst operations (Turbo Boost). Samsung Galaxy pcm фазовий матеріал у тепловому spreader (NiTi-based vapor chamber + micro-PCM): маса ~2 г → поглинає 40 Дж пікового. Gallium для electronics: висока L (80 кДж/кг невисока), але висока λ=40 Вт/м·К → швидше ніж парафін. Проблема Ga: liquid Ga at 30°C → leak risk. Ga alloys (Galinstan: Ga-In-Sn): Tm=−19°C → завжди рідиною → теплообмінник, не PCM, але теплопровідне рідке термосполучення.

TES (Thermal Energy Storage) — зберігання теплоти (або холоду) для вирівнювання попиту і пропозиції. Три типи TES: 1) Sensible TES: нагріти/охолодити масовий матеріал (вода, камінь). Питома: 1–2.5 кВт·год/м³. 2) Latent TES (PCM): фазовий перехід. Питома: 20–100 кВт·год/м³, залежно від PCM і пакування. 3) Thermochemical TES (TCES): хімічна реакція (гідратація, дисоціація): CaO + H₂O ↔ Ca(OH)₂, ΔH=1100 кДж/кг → найвища густота, але складна. PCM переваги: ізотермічне зберігання (ΔT~0) → чиста теплова буферизація. PCM для cold chain: мікрокапсульований ice (Tm=0°C) або спеціальні eutectic (Tm=–21°C: NaCl/H₂O eutectic) → TES для рефрижераторів без компресора. PCM у міській теплопостачальній системі: днем: EE solar/cheap electricity → тепловий насос → PCM charging. Вночі: PCM discharging → дистрибуція тепла. Стаціонарна PCM TES ємність: 60–100 кВт·год/м³ (Glauber's salt system), порів. кратно більше ніж чиста вода (25 кВт·год/м³ за ΔT=25°C).

Cold chain logistics (фармацевтика, продукти харчування, вакцини): підтримка T 2–8°C або –20°C впродовж 24–72 годин транспортування без активного охолодження. PCM рішення: Eutectic plates: наповнені eutectic сумішами з конкретним Tm. Tm = +4°C: EG (ethylation glycol-water eutectic) → vaccines 2–8°C. Tm = –21°C : 23.3% NaCl + 76.7% H₂O eutectic → frozen food. Tm = –5°C: CaCl₂/H₂O 42° eutectic → fresh fish. PCM gel packs: polyacrylamide hydrogel + PCM → Tm = +4°C → фармацевтична доставка. Нові рішення 2020-ті: microencapsulated PCM en aerosol spray → spray inside cardboard box → 15 мкм capsules на стінках → thermal buffer. Пряма перевага: 40–60% зменшення "відходів продуктів" через cold chain violations. Фармацевтика: WHO PIC/S guideline for passive systems → PCM qualified "passiv" qualification. Приклад: Merck vaccines shipping: PCM + fiber board → Phase 3 qualified for 72 hour shipments (2022 COVID era supply chain experience). Розмір ринку cold chain PCM: $1.5B (2024) → $4.5B (2032).

Phase change textiles (PCM clothing): мікрокапсули PCM вбудовані у волокна або нанесені на тканину. Перший PCM текстиль: NASA Outlast для астронавтів (1980-ті) → комерційний (Outlast Technologies) ліцензований для Adidas, Nike, Паtagonia. Технологія: Microtek/BASF Micronal мікрокапсули (Tm=28–32°C) включені у polyHPG або polyurethane coating на тканині. При активному навантаженні: T тіла ↑ → PCM плавиться → поглинає тепло → "охолоджує". У спокої: T тіла ↓ → PCM кристалізується → відделяє тепло → "зігріває". Ефемерний ефект (~30–60 хв): PCM buffer Q кінцева, при тривалому зусиллі → PCM повністю розплавлено/змерзлося → менший ефект. Кількість теплопоглинання на одяг: ~15–25 Дж/г PCM × 20–40 г PCM у одяг ≈ 300–1000 Дж total → затримка відчуття жару/холоду на 20–30 хв. Ринок: зростаючий. Термобілизна з Outlast (~€30–100 за ціному). Медичний: PCM-жилети для термотерапії, лихоманки, МС пацієнтів.

CSP (Concentrated Solar Power): дзеркала → фокусують сонячне тепло → парогенератор → турбіна. Проблема: нема сонця вночі → TES потрібна для 24/7 генерації. Провідна технологія: "Solar Salt" (двокомпонентна суміш нітратних солей): 60% NaNO₃ + 40% KNO₃ → Tm (eutectic)=220°C, T_max=565°C, L_mixture~120–150 кДж/кг, λ=0.5 Вт/м·К. Двобакова система (two-tank): "Холодний" бак: сіль при 290°C (рідина). "Гарячий" бак: сіль при 565°C (після геліостатів). Вночі: пом па перекачує гарячу → парогенератор → турбіна. Ємність: Crescent Dunes (Nevada, США, 2015): 1100 MWh (110 MW × 10 год) → найбільший TES у світі у той час. Gemasolar (Іспанія, 2011): перший 24/7 CSP без перерви: 15 год зберігання. Наступне покоління: Liquid Tin (олово) Tm=232°C, ρ=7200 кг/м³ → густина тепла × 5 vs Solar Salt. Carnot battery: надгарячий кремній-розчин (Si, Tm=1414°C, L=1790 кДж/кг) → Thermolytic storage → ефективність ~50%. Malta Inc. (Google X alumni): Tm glass (600°C) + крижана вода (-1°C) → heat pump TES → перетворення electricity ↔ тепло heat ↔ electricity.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Stress-Strain Curve і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.