चरण परिवर्तन पदार्थ: Difference between revisions
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[[File:Handwaermer12.jpg|thumb|एक सोडियम एसीटेट हीटिंग पैड। जब सोडियम एसीटेट विलयन क्रिस्टलीकृत हो जाता है, तो यह गर्म हो जाता है।]] | [[File:Handwaermer12.jpg|thumb|एक सोडियम एसीटेट हीटिंग पैड। जब सोडियम एसीटेट विलयन क्रिस्टलीकृत हो जाता है, तो यह गर्म हो जाता है।]] | ||
[[File:Heating pad in action.ogv|thumb|हीटिंग पैड को काम करते हुए दिखाने वाला वीडियो]] | [[File:Heating pad in action.ogv|thumb|हीटिंग पैड को काम करते हुए दिखाने वाला वीडियो]] | ||
एक चरण परिवर्तन सामग्री (पीसीएम) एक पदार्थ है जो उपयोगी | एक चरण परिवर्तन सामग्री (पीसीएम) एक पदार्थ है जो उपयोगी ऊष्मा या शीतलन प्रदान करने के लिए चरण संक्रमण पर पर्याप्त ऊर्जा को अवमुक्त/अवशोषित करता है। प्रायः संक्रमण पदार्थ की पहली दो मौलिक अवस्थाओं में से एक - ठोस और तरल - से दूसरे में होगा। चरण संक्रमण पदार्थ के गैर-चिरसम्मत अवस्थाओं के बीच भी हो सकता है, जैसे कि क्रिस्टल की अनुरूपता, जहां सामग्री एक क्रिस्टलीय संरचना के अनुरूप दूसरे के अनुरूप होती है, जो उच्च या निम्न ऊर्जा अवस्था हो सकती है। | ||
ठोस से तरल | ठोस से तरल, या इसके विपरीत, चरण संक्रमण द्वारा अवमुक्त/अवशोषित ऊर्जा, संलयन की ऊष्मा प्रायः संवेदी ऊष्मा की तुलना में बहुत अधिक होती है। उदाहरण के लिए, बर्फ को पिघलने के लिए 333.55 J/g की आवश्यकता होती है, लेकिन फिर पानी केवल 4.18 J/g के अतिरिक्त के साथ एक डिग्री आगे बढ़ जाएगा। पानी/बर्फ इसलिए एक बहुत ही उपयोगी चरण परिवर्तन सामग्री है और कम से कम एकेमेनिड साम्राज्य के समय से गर्मियों में इमारतों को ठंडा करने के लिए सर्दियों की ठंड को संग्रहित करने के लिए उपयोग किया जाता था। | ||
चरण परिवर्तन तापमान (पीसीटी) पर पिघलने और जमने से, एक पीसीएम | चरण परिवर्तन तापमान (पीसीटी) पर पिघलने और जमने से, एक पीसीएम संवेदी ताप भंडारण की तुलना में बड़ी मात्रा में ऊर्जा को संग्रहित करने और अवमुक्त करने में सक्षम है। जब पदार्थ ठोस से तरल में बदलता है और इसके विपरीत या जब सामग्री की आंतरिक संरचना में परिवर्तन होता है तो ऊष्मा अवशोषित या अवमुक्त होती है। पीसीएम को तदनुसार अव्यक्त ताप भंडारण (एलएचएस) सामग्री के रूप में संदर्भित किया जाता है। | ||
चरण परिवर्तन सामग्री के दो प्रमुख वर्ग हैं | चरण परिवर्तन सामग्री के दो प्रमुख वर्ग हैं- जैविक (कार्बन युक्त) सामग्री या तो पेट्रोलियम से, पौधों से या जानवरों से प्राप्त होती है और नमक हाइड्रेट्स, जो प्रायः या तो समुद्र से या खनिज जमा से प्राकृतिक नमक का उपयोग करते हैं या अन्य प्रक्रियाओं के उप-उत्पाद हैं। एक तीसरा वर्ग ठोस से ठोस अवस्था परिवर्तन है। | ||
पीसीएम का उपयोग कई अलग-अलग व्यावसायिक अनुप्रयोगों में किया जाता है जहां ऊर्जा भंडारण और/या स्थिर तापमान की आवश्यकता होती है, जिसमें अन्य के अलावा, हीटिंग पैड, टेलीफोन स्विचिंग बॉक्स के लिए कूलिंग और कपड़े | पीसीएम का उपयोग कई अलग-अलग व्यावसायिक अनुप्रयोगों में किया जाता है जहां ऊर्जा भंडारण और/या स्थिर तापमान की आवश्यकता होती है, जिसमें अन्य के अलावा, हीटिंग पैड, टेलीफोन स्विचिंग बॉक्स के लिए कूलिंग और कपड़े सम्मिलित हैं। | ||
अब तक का सबसे बड़ा संभावित बाजार ताप और शीतलन के निर्माण के लिए है। इस अनुप्रयोग क्षेत्र में, पीसीएम अक्षय बिजली की लागत में प्रगतिशील कमी के साथ-साथ ऐसी बिजली की आंतरायिक प्रकृति के प्रकाश में संभावित है। इसके परिणामस्वरूप अधिकतम मांग और आपूर्ति की उपलब्धता के बीच अनुपयुक्त हो सकता है। उत्तरी अमेरिका, चीन, जापान, ऑस्ट्रेलिया, दक्षिणी यूरोप और गर्म ग्रीष्मकाल वाले अन्य विकसित देशों में, अधिकतम आपूर्ति दोपहर में होती है जबकि अधिकतम मांग लगभग 17:00 से 20:00 तक होती है। यह थर्मल भंडारण मीडिया के लिए अवसर पैदा करता है। | |||
ठोस-तरल चरण परिवर्तन सामग्री प्रायः तरल अवस्था में समाहित करने के लिए, अंतिम अनुप्रयोग में स्थापना के लिए समझाया जाता है। कुछ अनुप्रयोगों में, विशेष रूप से जब वस्त्रों को सम्मिलित करने की आवश्यकता होती है, तो चरण परिवर्तन सामग्री सूक्ष्म-संपुटित होती है। पीसीएम कोर के पिघलने पर सूक्ष्म संपुटन सामग्री को छोटे बुलबुले के रूप में ठोस रहने की अनुमति देता है। | |||
==विशेषताएँ और वर्गीकरण== | |||
तरल → ठोस, ठोस → तरल, ठोस → गैस और तरल → गैस से पदार्थ की स्थिति में परिवर्तन के माध्यम से अव्यक्त ताप भंडारण प्राप्त किया जा सकता है। हालांकि, केवल ठोस → तरल और तरल → ठोस चरण परिवर्तन पीसीएम के लिए व्यावहारिक हैं। हालांकि तरल-गैस संक्रमणों में ठोस-तरल संक्रमणों की तुलना में परिवर्तन की उच्च गर्मी होती है, तरल → गैस चरण परिवर्तन तापीय भंडारण के लिए अव्यावहारिक होते हैं क्योंकि उनके गैस चरण में सामग्रियों को संग्रहीत करने के लिए बड़ी मात्रा या उच्च दबाव की आवश्यकता होती है। ठोस-ठोस चरण परिवर्तन प्रायः बहुत धीमी गति से होते हैं और परिवर्तन की अपेक्षाकृत कम गर्मी होती है। | |||
प्रारंभ में, ठोस-तरल पीसीएम संवेदनशील ताप भंडारण (एसएचएस) सामग्री की तरह व्यवहार करते हैं जैसे-जैसे वे ऊष्मा को अवशोषित करते हैं उनका तापमान बढ़ता जाता है। पारंपरिक एसएचएस सामग्रियों के विपरीत, हालांकि, जब पीसीएम अपने चरण परिवर्तन तापमान (उनके पिघलने बिंदु) तक पहुंचते हैं, तो वे लगभग स्थिर तापमान पर बड़ी मात्रा में ऊष्मा को अवशोषित करते हैं जब तक कि सभी सामग्री पिघल न जाए। जब किसी तरल पदार्थ के चारों ओर परिवेश का तापमान गिरता है, तो पीसीएम जम जाता है, जिससे उसकी संग्रहित गुप्त ऊष्मा निकल जाती है। -5 से 190 डिग्री सेल्सियस तक किसी भी आवश्यक तापमान श्रेणी में बड़ी संख्या में पीसीएम उपलब्ध हैं।<ref name="Kenisarin">{{cite journal |doi=10.1016/j.rser.2006.05.005 |title=Solar energy storage using phase change materials |year=2007 |last1=Kenisarin |first1=M |last2=Mahkamov |first2=K |journal=Renewable and Sustainable –1965 |volume=11 |issue=9 |pages=1913–1965}}</ref> 20 और 30 डिग्री सेल्सियस के बीच मानव सुविधा सीमा के भीतर, कुछ पीसीएम बहुत प्रभावी होते हैं, चिनाई के लिए लगभग एक किलो जूल/(किग्रा * डिग्री सेल्सियस) की विशिष्ट ताप क्षमता के मुकाबले 200 किलोजूल/किलोग्राम गुप्त ऊष्मा का भंडारण करते हैं। इसलिए यदि 10 डिग्री सेल्सियस के तापमान में बदलाव की अनुमति दी जाती है तो भंडारण घनत्व चिनाई प्रति किलो से 20 गुना अधिक हो सकता है।<ref>{{cite journal |doi=10.1016/j.rser.2007.10.005 |title=Review on thermal energy storage with phase change materials and applications |year=2009 |last1=Sharma |first1=Atul |last2=Tyagi |first2=V.V. |last3=Chen |first3=C.R. |last4=Buddhi |first4=D. |journal=Renewable and Sustainable Energy Reviews |volume=13 |issue=2 |pages=318–345}}</ref> हालांकि, चूंकि चिनाई का द्रव्यमान पीसीएम की तुलना में कहीं अधिक है, इसलिए यह विशिष्ट (प्रति द्रव्यमान) ताप क्षमता कुछ हद तक प्रतिसंतुलन है। एक चिनाई वाली दीवार का द्रव्यमान 200 किग्रा/एम2 हो सकता है, इसलिए ताप क्षमता को दोगुना करने के लिए पीसीएम के अतिरिक्त 10 किग्रा/एम2 की आवश्यकता होगी। | |||
=== कार्बनिक पीसीएम === | === कार्बनिक पीसीएम === | ||
हाइड्रोकार्बन, मुख्य रूप से पैराफिन (C | हाइड्रोकार्बन, मुख्य रूप से पैराफिन (C<sub>''n''</sub>H<sub>2''n''+2</sub>) और लिपिड लेकिन शुगर अल्कोहल भी।<ref>[http://myweb.dal.ca/mawhite/3303/supplementals/Heat%20Storage%20Systems.pdf "Heat storage systems"] (PDF) by Mary Anne White, brings a list of advantages and disadvantages of Paraffin heat storage. A more complete list can be found in [https://www.accessscience.com/ AccessScience from McGraw-Hill Education], DOI 10.1036/1097-8542.YB020415, last modified: March 25, 2002 based on 'Latent heat storage in concrete II, Solar Energy Materials, Hawes DW, Banu D, Feldman D, 1990, 21, pp.61–80.</ref><ref>{{cite journal |last1=Floros |first1=Michael C. |last2=Kaller |first2=Kayden L. C. |last3=Poopalam |first3=Kosheela D. |last4=Narine |first4=Suresh S. |date=2016-12-01 |title=Lipid derived diamide phase change materials for high temperature thermal energy storage |journal=Solar Energy |volume=139 |pages=23–28 |doi=10.1016/j.solener.2016.09.032 |bibcode=2016SoEn..139...23F}}</ref><ref>{{cite journal |last1=Agyenim |first1=Francis |last2=Eames |first2=Philip |last3=Smyth |first3=Mervyn |date=2011-01-01 |title=Experimental study on the melting and solidification behaviour of a medium temperature phase change storage material (Erythritol) system augmented with fins to power a LiBr/H2O absorption cooling system |journal=Renewable Energy |volume=36 |issue=1 |pages=108–117 |doi=10.1016/j.renene.2010.06.005}}</ref> | ||
*लाभ | *लाभ | ||
** | ** बिना अधिक उच्च शीतलन के हिमन करें | ||
** | ** सर्वांगतः से पिघलने की क्षमता | ||
** | **स्वतः न्यूक्लिएन गुण | ||
** निर्माण की पारंपरिक सामग्री के साथ संगतता | ** निर्माण की पारंपरिक सामग्री के साथ संगतता | ||
**कोई अलगाव नहीं | **कोई अलगाव नहीं | ||
**रासायनिक रूप से स्थिर | **रासायनिक रूप से स्थिर | ||
** सुरक्षित और गैर प्रतिक्रियाशील | ** सुरक्षित और गैर प्रतिक्रियाशील | ||
* | *हानि | ||
** उनकी ठोस अवस्था में कम तापीय चालकता। ठंड | ** उनकी ठोस अवस्था में कम तापीय चालकता। ठंड चक्र के दौरान उच्च ऊष्मा हस्तांतरण दर की आवश्यकता होती है। नैनो सम्मिश्रण से प्रभावी तापीय चालकता 216% तक बढ़ जाती है।<ref>{{cite journal |last=Fleishcher |first=A.S. |date=2014 |title=Improved heat recovery from paraffn-based phase change materials due to the presence of percolating graphene networks |journal=Improved Heat Recovery from Paraffn-based Phase Change Materials Due to the Presence of Percolating Graphene Networks |volume=79 |pages=324–333}}</ref><ref>''(2015). Thermal energy storage using phase change materials: fundamentals and applications. Springer''</ref> | ||
** | ** अनुमापी गुप्त ऊष्मा भंडारण क्षमता कम ज्वलनशील हो सकती है। | ||
** | ** इसे विशेष रोकथाम द्वारा आंशिक रूप से कम किया जा सकता है। | ||
=== अकार्बनिक === | === अकार्बनिक === | ||
नमक हाइड्रेट्स ( | नमक हाइड्रेट्स (M<sub>''x''</sub>N<sub>''y''</sub>·''n''H<sub>2</sub>O)<ref>{{cite web |url=https://id.elsevier.com/as/authorization.oauth2?platSite=SD%2Fscience&scope=openid+email+profile+els_auth_info+urn%3Acom%3Aelsevier%3Aidp%3Apolicy%3Aproduct%3Ainst_assoc&response_type=code&redirect_uri=https%3A%2F%2Fwww.sciencedirect.com%2Fuser%2Fidentity%2Flanding&authType=SINGLE_SIGN_IN&prompt=none&client_id=SDFE-v3&state=retryCounter%3D0%26csrfToken%3D7b73d88c-a46a-4ce5-8a58-7a21b367a560%26idpPolicy%3Durn%253Acom%253Aelsevier%253Aidp%253Apolicy%253Aproduct%253Ainst_assoc%26returnUrl%3Dhttps%253A%252F%252Fwww.sciencedirect.com%252Ftopics%252Fengineering%252Fsalt-hydrate%26prompt%3Dnone%26cid%3Dtpp-9ec8e252-5eaf-44ce-a8d4-838d9800b9b3 |title=Phase Change Energy Solutions |access-date=February 28, 2018}}</ref> | ||
* | *लाभ | ||
** उच्च | ** उच्च आयतनमितीय गुप्त ऊष्मा भंडारण क्षमता | ||
**उपलब्धता और कम लागत | **उपलब्धता और कम लागत | ||
**तीव्र गलनांक | **तीव्र गलनांक | ||
** उच्च तापीय चालकता | ** उच्च तापीय चालकता | ||
** | ** संलयन की उच्च ऊष्मा | ||
** गैर ज्वलनशील | ** गैर ज्वलनशील | ||
** वहनीयता | ** वहनीयता | ||
* | *हानि | ||
** | ** चक्रण पर असंगत पिघलने और चरण पृथक्करण को रोकना मुश्किल है, जिससे गुप्त ऊष्मा ऊष्मीय धारिता में महत्वपूर्ण नुकसान हो सकता है।<ref>{{cite journal |last=Cantor |first=S. |date=1978 |title=DSC study of melting and solidification of salt hydrates |url=https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc1446857/ |journal=Thermochimica Acta |volume=26 |issue=1–3 |pages=39–47 |doi=10.1016/0040-6031(78)80055-0}}<!--https://digital.library.unt.edu/ark:/67531/metadc1446857/--></ref> | ||
** | ** धातु जैसे कई अन्य पदार्थों के लिए संक्षारक हो सकता है।<ref>{{cite journal |author1=olé, A. |author2=Miró, L. |author3=Barreneche, C. |author4=Martorell, I. |author5=Cabeza, L.F. |date=2015 |title=Corrosion of metals and salt hydrates used for thermochemical energy storage |url=https://zenodo.org/record/3422119 |journal=Renewable Energy |volume=75 |pages=519–523 |doi=10.1016/j.renene.2014.09.059}}</ref><ref>{{cite journal |author1=A. Sharma |author2=V. Tyagi |author3=C. Chen |author4=D. Buddhi |date=February 2009 |title=Review on thermal energy storage with phase change materials and applications |journal=Renewable and Sustainable Energy Reviews |volume=13 |issue=2 |pages=318–345 |doi=10.1016/j.rser.2007.10.005}}</ref><ref>{{cite journal |last1=Sharma |first1=Someshower Dutt |last2=Kitano |first2=Hiroaki |last3=Sagara |first3=Kazunobu |date=2004 |title=Phase Change Materials for Low Temperature Solar Thermal Applications |journal=Res. Rep. Fac. Eng. Mie Univ. |volume=29 |pages=31–64 |s2cid=17528226 |url=https://pdfs.semanticscholar.org/5492/cd76932f222b0bb74c5c5331aec45f879fbf.pdf |url-status=dead |archive-url=https://web.archive.org/web/20200627085135/https://pdfs.semanticscholar.org/5492/cd76932f222b0bb74c5c5331aec45f879fbf.pdf |archive-date=2020-06-27}}</ref> इसे गैर-प्रतिक्रियाशील प्लास्टिक में केवल विशिष्ट धातु-पीसीएम युग्मन या थोड़ी मात्रा में संपुटीकरण का उपयोग करके दूर किया जा सकता है। | ||
** कुछ मिश्रणों में आयतन | ** कुछ मिश्रणों में आयतन परिवर्तन बहुत अधिक होता है। | ||
** ठोस-तरल संक्रमण में | **उच्च शीतलन ठोस-तरल संक्रमण में एक समस्या हो सकती है, जिससे न्यूक्लियिंग एजेंटों के उपयोग की आवश्यकता होती है जो बार-बार चक्रण के बाद निष्क्रिय हो सकते हैं। | ||
[[File:InfiniteR Energy Sheet.png|alt=Infinite R Energy Sheet|अंगूठा|उदाहरण: लंबे समय तक थर्मल स्थिरता और थर्मोप्लास्टिक पन्नी मैक्रो-एनकैप्सुलेशन भौतिक स्थायित्व के लिए न्यूक्लिएशन और गेलिंग एजेंटों के साथ यूक्टेक्टिक नमक हाइड्रेट पीसीएम। एचवीएसी ऊर्जा संरक्षण के निर्माण में परिणाम के लिए निष्क्रिय तापमान स्थिरीकरण के लिए आवेदन किया।<ref>{{cite web |url=https://insolcorp.com/ |title=Infinite R |publisher=Insolcorp, Inc |access-date=2017-03-01}}</ref>]] | [[File:InfiniteR Energy Sheet.png|alt=Infinite R Energy Sheet|अंगूठा|उदाहरण: लंबे समय तक थर्मल स्थिरता और थर्मोप्लास्टिक पन्नी मैक्रो-एनकैप्सुलेशन भौतिक स्थायित्व के लिए न्यूक्लिएशन और गेलिंग एजेंटों के साथ यूक्टेक्टिक नमक हाइड्रेट पीसीएम। एचवीएसी ऊर्जा संरक्षण के निर्माण में परिणाम के लिए निष्क्रिय तापमान स्थिरीकरण के लिए आवेदन किया।<ref>{{cite web |url=https://insolcorp.com/ |title=Infinite R |publisher=Insolcorp, Inc |access-date=2017-03-01}}</ref>]] | ||
=== | === हाइग्रोस्कोपिक सामग्री === | ||
कई प्राकृतिक निर्माण सामग्री हीड्रोस्कोपिक हैं, | कई प्राकृतिक निर्माण सामग्री हीड्रोस्कोपिक हैं, अर्थात वे अवशोषित कर सकते हैं (पानी संघनित) और पानी छोड़ सकते हैं (पानी वाष्पित हो जाता है)। प्रक्रिया इस प्रकार है- | ||
*संघनन ( | *संघनन (गैस से द्रव) ΔH<0, एन्थैल्पी घट जाती है (एक्सोथर्मिक प्रक्रिया) ऊष्मा उत्पन्न करती है। | ||
*वाष्पीकरण (तरल से गैस) | *वाष्पीकरण (तरल से गैस) ΔH>0, एन्थैल्पी बढ़ जाती है (एन्डोथर्मिक प्रक्रिया) ऊष्मा (या ठंडा) को अवशोषित करती है। | ||
जबकि यह प्रक्रिया थोड़ी मात्रा में ऊर्जा मुक्त करती है, बड़ी सतह क्षेत्र इमारतों में महत्वपूर्ण (1-2 डिग्री सेल्सियस) ताप या शीतलन की अनुमति देता है। संबंधित सामग्रियां ऊन इन्सुलेशन और पृथ्वी/मिट्टी रूपांतरण खत्म होता हैं। | |||
=== ठोस-ठोस पीसीएम === | |||
पीसीएम का एक विशेष समूह जो संबंधित अवशोषण और बड़ी मात्रा में ऊष्मा को अवमुक्त के साथ एक ठोस / ठोस चरण संक्रमण से गुजरता है। ये सामग्रियां अपनी क्रिस्टलीय संरचना को एक निश्चित और अच्छी तरह से परिभाषित तापमान पर एक जाली विन्यास से दूसरे में बदलती हैं, और परिवर्तन में सबसे प्रभावी ठोस / तरल पीसीएम की तुलना में गुप्त ऊष्मा सम्मिलित हो सकती हैं। ऐसी सामग्रियां उपयोगी हैं, क्योंकि ठोस/तरल पीसीएम के विपरीत, उच्च शीतलन को रोकने के लिए उन्हें न्यूक्लिएशन की आवश्यकता नहीं होती है। इसके अतिरिक्त, क्योंकि यह एक ठोस/ठोस चरण परिवर्तन है, पीसीएम की उपस्थिति में कोई दृश्य परिवर्तन नहीं होता है, और तरल पदार्थ को संभालने से संबंधित कोई समस्या नहीं होती है, उदाहरण- रोकथाम, संभावित रिसाव, आदि। वर्तमान में ठोस-ठोस पीसीएम समाधानों की तापमान सीमा -50 °C (-58 °F) से +175 °C (347 °F) तक फैली हुई है।<ref>{{cite web |url=https://phasechange.com/phasestor/ |title=Phase Change Energy Solutions PhaseStor |website=Phase Change Energy Solutions |access-date=February 28, 2018}}</ref> | |||
== चयन मानदंड == | == चयन मानदंड == | ||
चरण परिवर्तन सामग्री में निम्नलिखित | चरण परिवर्तन सामग्री में निम्नलिखित उष्मागतिक गुण होने चाहिए।<ref>{{cite journal |doi=10.1016/j.rser.2006.05.010 |title=Phase change material-based building architecture for thermal management in residential and commercial establishments |year=2008 |last1=Pasupathy |first1=A |last2=Velraj |first2=R |last3=Seeniraj |first3=R |journal=Renewable and Sustainable Energy Reviews |volume=12 |pages=39–64}}</ref> | ||
* वांछित ऑपरेटिंग तापमान | * वांछित ऑपरेटिंग तापमान सीमा में पिघलने का तापमान | ||
* प्रति इकाई आयतन में संलयन की उच्च गुप्त ऊष्मा | * प्रति इकाई आयतन में संलयन की उच्च गुप्त ऊष्मा | ||
* उच्च विशिष्ट ऊष्मा, उच्च घनत्व और उच्च तापीय चालकता | * उच्च विशिष्ट ऊष्मा, उच्च घनत्व और उच्च तापीय चालकता | ||
* | * रोकथाम की समस्या को कम करने के लिए ऑपरेटिंग तापमान पर चरण परिवर्तन और छोटे वाष्प के दबाव पर छोटी मात्रा में परिवर्तन होता है | ||
* सर्वांगसम | * सर्वांगसम पिघलना | ||
गतिज गुण | गतिज गुण | ||
* तरल चरण के | * तरल चरण के उच्च शीतलन से बचने के लिए उच्च न्यूक्लिएशन दर | ||
* क्रिस्टल विकास की उच्च दर, ताकि | *क्रिस्टल विकास की उच्च दर, ताकि प्रणाली, भंडारण प्रणाली से ऊष्मा पुनःप्राप्ति की मांगों को पूरा कर सके | ||
रासायनिक गुण | रासायनिक गुण | ||
* रासायनिक स्थिरता | * रासायनिक स्थिरता | ||
* पूर्ण प्रतिवर्ती | * पूर्ण प्रतिवर्ती हिमन/पिघल चक्र | ||
* बड़ी संख्या में | * बड़ी संख्या में हिमन/पिघल चक्र के बाद कोई गिरावट नहीं | ||
* गैर-संक्षारक, गैर-विषाक्त, गैर-ज्वलनशील और गैर-विस्फोटक सामग्री | * गैर-संक्षारक, गैर-विषाक्त, गैर-ज्वलनशील और गैर-विस्फोटक सामग्री | ||
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* उपलब्धता | * उपलब्धता | ||
== | == तापभौतिकीय गुण == | ||
चरण-परिवर्तन सामग्री के प्रमुख तापभौतिकीय गुणों में सम्मिलित हैं- गलनांक (T<sub>m</sub>), संलयन की ऊष्मा (Δ''H<sub>fus</sub>''), विशिष्ट ऊष्मा (''c<sub>p</sub>'') (ठोस और तरल चरण की), घनत्व (ρ) (ठोस और तरल चरण की) और तापीय चालकता। आयतन परिवर्तन और आयतनमितीय ताप क्षमता जैसे मानो की गणना वहां से की जा सकती है। | |||
==प्रौद्योगिकी, विकास, और संपुटीकरण== | |||
सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले पीसीएम नमक हाइड्रेट्स, वसा अम्ल और एस्टर, और विभिन्न पैराफिन (जैसे ऑक्टाडेकेन) हैं। हाल ही में भी आयनिक तरल पदार्थों की उपन्यास पीसीएम के रूप में जांच की गई थी। | |||
पीसीएम | चूंकि अधिकांश कार्बनिक समाधान जल-मुक्त होते हैं, इसलिए उन्हें हवा के संपर्क में लाया जा सकता है, लेकिन पानी के वाष्पीकरण या अपक्षय को रोकने के लिए सभी नमक आधारित पीसीएम समाधानों को संपुटित किया जाना चाहिए। दोनों प्रकार के कुछ फायदे और नुकसान हैं और अगर उन्हें सही तरीके से लागू किया जाए तो कुछ नुकसान कुछ अनुप्रयोगों के लिए एक फायदा बन जाते हैं। | ||
वे 19वीं शताब्दी के उत्तरार्ध से तापीय भंडारण अनुप्रयोगों के लिए एक माध्यम के रूप में उपयोग किए जाते रहे हैं। रेल<ref>[[Richard Trevithick]]'s steam locomotive ran in 1804</ref>और सड़क अनुप्रयोगों<ref>[[Amédée Bollée]] created [[steam car]]s beginning at 1873</ref> के लिए प्रशीतित परिवहन जैसे विविध अनुप्रयोगों में उनका उपयोग किया गया है<ref>[https://hbswk.hbs.edu/archive/frederic-tudor-the-ice-king Frederik Tudor the Ice King] on ice transport during the 19th century</ref> और इसलिए, उनके भौतिक गुण सर्वविदित हैं। | |||
बर्फ भंडारण प्रणाली के विपरीत, हालांकि, पीसीएम प्रणाली का उपयोग किसी भी पारंपरिक पानी के द्रुतशीतक के साथ एक नए या वैकल्पिक रूप से पुनःसंयोजन अनुप्रयोग दोनों के लिए किया जा सकता है। सकारात्मक तापमान चरण परिवर्तन केन्द्रापसारक और अवशोषण द्रुतशीतक के साथ-साथ पारंपरिक पारस्परिक और स्क्रू द्रुतशीतक प्रणाली या टीईएस प्रणाली को आवेशित करने के लिए शीतलक टावर या शुष्क शीतलक का उपयोग करने वाली निम्न परिवेश स्थितियों की अनुमति देता है। | |||
पीसीएम प्रौद्योगिकी द्वारा प्रदान की जाने वाली तापमान सीमा मध्यम और उच्च तापमान ऊर्जा भंडारण अनुप्रयोगों के संबंध में निर्माण सेवाओं और प्रशीतन इंजीनियरों के लिए एक नया क्षितिज प्रदान करती है। इस तापीय ऊर्जा अनुप्रयोग का दायरा सौर ताप, गर्म पानी, ताप अस्वीकृति (यानी, शीतलक टॉवर), और शुष्क शीतलक परिपथिकी तापीय ऊर्जा भंडारण अनुप्रयोगों की व्यापक श्रेणी है। | |||
चूंकि पीसीएम तापीय चक्रण में ठोस-तरल के बीच रूपांतरित होते हैं, इसलिए संपुटीकरण<ref>{{cite journal |doi=10.1016/j.rser.2005.10.002 |title=PCM thermal storage in buildings: A state of art |year=2007 |last1=Tyagi |first1=Vineet Veer |last2=Buddhi |first2=D. |journal=Renewable and Sustainable Energy Reviews |volume=11 |issue=6 |pages=1146–1166}}</ref> स्वाभाविक रूप से स्पष्ट भंडारण विकल्प बन गया। | |||
*पीसीएम का संपुटीकरण | |||
**दीर्घ -संपुटीकरण- अधिकांश पीसीएम की खराब तापीय चालकता के कारण बड़ी मात्रा में रोकथाम के साथ दीर्घ -संपुटीकरण का प्रारंभिक विकास विफल हो गया। पीसीएम प्रभावी ऊष्मा हस्तांतरण को रोकने वाले पात्रों के किनारों पर जमने लगते हैं। | |||
**दीर्घ -संपुटीकरण- दूसरी ओर दीर्घ -संपुटीकरण में ऐसी कोई समस्या नहीं दिखाई दी। यह पीसीएम को आसानी से और आर्थिक रूप से निर्माण सामग्री, जैसे कंक्रीट में सम्मिलित करने की अनुमति देता है। दीर्घ -संपुटित पीसीएम एक सुवाह्य ऊष्मा भंडारण प्रणाली भी प्रदान करते हैं। एक सूक्ष्म आकार के पीसीएम को एक सुरक्षात्मक विलेपन के साथ विलेपन करके, कणों को एक सतत चरण जैसे कि पानी में निलंबित किया जा सकता है। इस प्रणाली को चरण परिवर्तन घोल (पीसीएस) माना जा सकता है। | |||
**आणविक-संपुटीकरण एक अन्य तकनीक है, जिसे ड्यूपॉन्ट डी नेमोर्स द्वारा विकसित किया गया है जो एक बहुलक यौगिक के भीतर पीसीएम की बहुत उच्च सांद्रता की अनुमति देता है। यह 5 मिमी बोर्ड (103 MJ/m3) के लिए 515 kJ/m2 तक भंडारण क्षमता की अनुमति देता है। आणविक-संपुटीकरण बिना किसी पीसीएम रिसाव के सामग्री के माध्यम से बेधने और काटने की अनुमति देता है। | |||
चूंकि चरण परिवर्तन सामग्री छोटे पात्रों में सबसे अच्छा प्रदर्शन करती है, इसलिए उन्हें प्रायः कोशिकाओं में विभाजित किया जाता है। स्थैतिक सिर को कम करने के लिए कोशिकाएं उथली हैं - उथले पात्र ज्यामिति के सिद्धांत के आधार पर। पैकेजिंग सामग्री को अच्छी तरह से ऊष्मा का संचालन करना चाहिए, और यह इतना टिकाऊ होना चाहिए कि चरण परिवर्तन होने पर भंडारण सामग्री के आयतन में बार-बार होने वाले परिवर्तनों का सामना कर सके। इसे दीवारों के माध्यम से पानी के मार्ग को भी प्रतिबंधित करना चाहिए, ताकि सामग्री सूख न जाए (या यदि सामग्री हाइग्रोस्कोपिक है तो पानी बाहर निकल जाए)। पैकेजिंग को रिसाव और जंग का भी विरोध करना चाहिए। कमरे के तापमान पीसीएम के साथ रासायनिक संगतता दिखाने वाली सामान्य पैकेजिंग सामग्री में स्टेनलेस स्टील, पॉलीप्रोपाइलीन और पॉलीओलेफ़िन सम्मिलित हैं। | |||
== | पीसीएम में कार्बन नैनोट्यूब, ग्रेफाइट, ग्रेफीन, धातु और धातु ऑक्साइड जैसे नैनोकणों को फैलाया जा सकता है। यह ध्यान देने योग्य है कि नैनोकणों को सम्मिलित करने से न केवल पीसीएम की तापीय चालकता विशेषता बल्कि अन्य विशेषताओं के साथ-साथ गुप्त ऊष्मा क्षमता, उप-शीतलन, चरण परिवर्तन तापमान और इसकी अवधि, घनत्व और चिपचिपाहट में भी परिवर्तन होगा। पीसीएम के नए समूह को एनईपीसीएम कहा जाता है।<ref>{{cite journal |last1=Khodadadi |first1=J. M. |last2=Hosseinizadeh |first2=S. F. |date=2007-05-01 |title=Nanoparticle-enhanced phase change materials (NEPCM) with great potential for improved thermal energy storage |url=https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0735193307000437 |journal=International Communications in Heat and Mass Transfer |language=en |volume=34 |issue=5 |pages=534–543 |doi=10.1016/j.icheatmasstransfer.2007.02.005 |issn=0735-1933}}</ref> एनईपीसीएम को और भी उच्च तापीय प्रवाहकीय संयोजन के निर्माण के लिए धातु के फोम में जोड़ा जा सकता है।<ref>{{cite journal |last1=Samimi Behbahan |first1=Amin |last2=Noghrehabadi |first2=Aminreza |last3=Wong |first3=C.P. |last4=Pop |first4=Ioan |last5=Behbahani-Nejad |first5=Morteza |date=2019-01-01 |title=Investigation of enclosure aspect ratio effects on melting heat transfer characteristics of metal foam/phase change material composites |url=https://doi.org/10.1108/HFF-11-2018-0659 |journal=International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow |volume=29 |issue=9 |pages=2994–3011 |doi=10.1108/HFF-11-2018-0659 |s2cid=198459648 |issn=0961-5539}}</ref> | ||
== तापीय सम्मिश्रण == | |||
तापीय सम्मिश्रण एक शब्द है जो चरण परिवर्तन सामग्री (पीसीएम) और अन्य (प्रायः ठोस) संरचनाओं के संयोजन को दिया जाता है। एक साधारण उदाहरण पैराफिन मोम में डूबी तांबे की जाली है। पैराफिन मोम के भीतर तांबे की जाली को एक मिश्रित सामग्री माना जा सकता है, जिसे तापीय सम्मिश्रण कहा जाता है। इस तरह की संकर सामग्री विशिष्ट समग्र या थोक गुणों को प्राप्त करने के लिए बनाई जाती है (उदाहरण सतह क्षेत्र-से-आयतन अनुपात में वृद्धि के लिए अलग-अलग सिलिकॉन डाइऑक्साइड नैनोस्फियर में पैराफिन का संपुटीकरण है और इस प्रकार, उच्च ऊष्मा हस्तांतरण गति है <ref>{{cite journal |last1=Belessiotis |first1=George |last2=Papadokostaki |first2=Kyriaki |last3=Favvas |first3=Evangelos |last4=Efthimiadou |first4=Eleni |last5=Karellas |first5=Sotirios |date=2018 |title=Preparation and investigation of distinct and shape stable paraffin/SiO2 composite PCM nanospheres |url=https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0196890418304072 |journal=Energy Conversion and Management |volume=168 |pages=382-394 |doi=10.1016/j.enconman.2018.04.059 }}</ref>)। | |||
तापीय | तापीय सम्मिश्रण बनाकर अधिकतम करने के लिए लक्षित तापीय चालकता एक सामान्य गुण है। इस स्थिति में, मूल विचार अपेक्षाकृत कम-संचालन वाले पीसीएम में एक उच्च चालक ठोस (जैसे तांबे की जाली या ग्रेफाइट<ref>{{cite journal |last1=Gorbacheva |first1=Svetlana N. |last2=Makarova |first2=Veronika V. |last3=Ilyin |first3=Sergey O. |date=April 2021 |title=Hydrophobic nanosilica-stabilized graphite particles for improving thermal conductivity of paraffin wax-based phase-change materials |url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S2352152X21001705 |journal=Journal of Energy Storage |language=en |volume=36 |pages=102417 |doi=10.1016/j.est.2021.102417|s2cid=233608864 }}</ref>) जोड़कर तापीय चालकता को बढ़ाना है, इस प्रकार समग्र या थोक (तापीय) चालकता में वृद्धि होती है।<ref>{{cite journal |last1=Makarova |first1=V. V. |last2=Gorbacheva |first2=S. N. |last3=Antonov |first3=S. V. |last4=Ilyin |first4=S. O. |date=December 2020 |title=On the Possibility of a Radical Increase in Thermal Conductivity by Dispersed Particles |url=http://link.springer.com/10.1134/S1070427220120022 |journal=Russian Journal of Applied Chemistry |language=en |volume=93 |issue=12 |pages=1796–1814 |doi=10.1134/S1070427220120022 |s2cid=232061261 |issn=1070-4272}}</ref> यदि पीसीएम को प्रवाहित करने की आवश्यकता होती है, तो ठोस झरझरा होना चाहिए, जैसे जाल। | ||
अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी उद्योग के लिए फाइबरग्लास या केवलर प्रीपरग जैसे ठोस सम्मिश्रण प्रायः एक तंतु (केवलर या ग्लास) और एक मैट्रिक्स (गोंद, जो तंतु को पकड़ने और संपीडन सामर्थ्य प्रदान करने के लिए जम जाता है) को संदर्भित करता है। एक तापीय सम्मिश्रण इतनी स्पष्ट रूप से परिभाषित नहीं है, लेकिन इसी तरह एक मैट्रिक्स (ठोस) और पीसीएम को संदर्भित कर सकता है, जो निश्चित रूप से परिस्थितियों के आधार पर प्रायः तरल और/या ठोस होता है। वे पृथ्वी में छोटे तत्वों की खोज के लिए भी हैं। | |||
== आवेदन == | == आवेदन == | ||
Revision as of 16:46, 28 November 2022
एक चरण परिवर्तन सामग्री (पीसीएम) एक पदार्थ है जो उपयोगी ऊष्मा या शीतलन प्रदान करने के लिए चरण संक्रमण पर पर्याप्त ऊर्जा को अवमुक्त/अवशोषित करता है। प्रायः संक्रमण पदार्थ की पहली दो मौलिक अवस्थाओं में से एक - ठोस और तरल - से दूसरे में होगा। चरण संक्रमण पदार्थ के गैर-चिरसम्मत अवस्थाओं के बीच भी हो सकता है, जैसे कि क्रिस्टल की अनुरूपता, जहां सामग्री एक क्रिस्टलीय संरचना के अनुरूप दूसरे के अनुरूप होती है, जो उच्च या निम्न ऊर्जा अवस्था हो सकती है।
ठोस से तरल, या इसके विपरीत, चरण संक्रमण द्वारा अवमुक्त/अवशोषित ऊर्जा, संलयन की ऊष्मा प्रायः संवेदी ऊष्मा की तुलना में बहुत अधिक होती है। उदाहरण के लिए, बर्फ को पिघलने के लिए 333.55 J/g की आवश्यकता होती है, लेकिन फिर पानी केवल 4.18 J/g के अतिरिक्त के साथ एक डिग्री आगे बढ़ जाएगा। पानी/बर्फ इसलिए एक बहुत ही उपयोगी चरण परिवर्तन सामग्री है और कम से कम एकेमेनिड साम्राज्य के समय से गर्मियों में इमारतों को ठंडा करने के लिए सर्दियों की ठंड को संग्रहित करने के लिए उपयोग किया जाता था।
चरण परिवर्तन तापमान (पीसीटी) पर पिघलने और जमने से, एक पीसीएम संवेदी ताप भंडारण की तुलना में बड़ी मात्रा में ऊर्जा को संग्रहित करने और अवमुक्त करने में सक्षम है। जब पदार्थ ठोस से तरल में बदलता है और इसके विपरीत या जब सामग्री की आंतरिक संरचना में परिवर्तन होता है तो ऊष्मा अवशोषित या अवमुक्त होती है। पीसीएम को तदनुसार अव्यक्त ताप भंडारण (एलएचएस) सामग्री के रूप में संदर्भित किया जाता है।
चरण परिवर्तन सामग्री के दो प्रमुख वर्ग हैं- जैविक (कार्बन युक्त) सामग्री या तो पेट्रोलियम से, पौधों से या जानवरों से प्राप्त होती है और नमक हाइड्रेट्स, जो प्रायः या तो समुद्र से या खनिज जमा से प्राकृतिक नमक का उपयोग करते हैं या अन्य प्रक्रियाओं के उप-उत्पाद हैं। एक तीसरा वर्ग ठोस से ठोस अवस्था परिवर्तन है।
पीसीएम का उपयोग कई अलग-अलग व्यावसायिक अनुप्रयोगों में किया जाता है जहां ऊर्जा भंडारण और/या स्थिर तापमान की आवश्यकता होती है, जिसमें अन्य के अलावा, हीटिंग पैड, टेलीफोन स्विचिंग बॉक्स के लिए कूलिंग और कपड़े सम्मिलित हैं।
अब तक का सबसे बड़ा संभावित बाजार ताप और शीतलन के निर्माण के लिए है। इस अनुप्रयोग क्षेत्र में, पीसीएम अक्षय बिजली की लागत में प्रगतिशील कमी के साथ-साथ ऐसी बिजली की आंतरायिक प्रकृति के प्रकाश में संभावित है। इसके परिणामस्वरूप अधिकतम मांग और आपूर्ति की उपलब्धता के बीच अनुपयुक्त हो सकता है। उत्तरी अमेरिका, चीन, जापान, ऑस्ट्रेलिया, दक्षिणी यूरोप और गर्म ग्रीष्मकाल वाले अन्य विकसित देशों में, अधिकतम आपूर्ति दोपहर में होती है जबकि अधिकतम मांग लगभग 17:00 से 20:00 तक होती है। यह थर्मल भंडारण मीडिया के लिए अवसर पैदा करता है।
ठोस-तरल चरण परिवर्तन सामग्री प्रायः तरल अवस्था में समाहित करने के लिए, अंतिम अनुप्रयोग में स्थापना के लिए समझाया जाता है। कुछ अनुप्रयोगों में, विशेष रूप से जब वस्त्रों को सम्मिलित करने की आवश्यकता होती है, तो चरण परिवर्तन सामग्री सूक्ष्म-संपुटित होती है। पीसीएम कोर के पिघलने पर सूक्ष्म संपुटन सामग्री को छोटे बुलबुले के रूप में ठोस रहने की अनुमति देता है।
विशेषताएँ और वर्गीकरण
तरल → ठोस, ठोस → तरल, ठोस → गैस और तरल → गैस से पदार्थ की स्थिति में परिवर्तन के माध्यम से अव्यक्त ताप भंडारण प्राप्त किया जा सकता है। हालांकि, केवल ठोस → तरल और तरल → ठोस चरण परिवर्तन पीसीएम के लिए व्यावहारिक हैं। हालांकि तरल-गैस संक्रमणों में ठोस-तरल संक्रमणों की तुलना में परिवर्तन की उच्च गर्मी होती है, तरल → गैस चरण परिवर्तन तापीय भंडारण के लिए अव्यावहारिक होते हैं क्योंकि उनके गैस चरण में सामग्रियों को संग्रहीत करने के लिए बड़ी मात्रा या उच्च दबाव की आवश्यकता होती है। ठोस-ठोस चरण परिवर्तन प्रायः बहुत धीमी गति से होते हैं और परिवर्तन की अपेक्षाकृत कम गर्मी होती है।
प्रारंभ में, ठोस-तरल पीसीएम संवेदनशील ताप भंडारण (एसएचएस) सामग्री की तरह व्यवहार करते हैं जैसे-जैसे वे ऊष्मा को अवशोषित करते हैं उनका तापमान बढ़ता जाता है। पारंपरिक एसएचएस सामग्रियों के विपरीत, हालांकि, जब पीसीएम अपने चरण परिवर्तन तापमान (उनके पिघलने बिंदु) तक पहुंचते हैं, तो वे लगभग स्थिर तापमान पर बड़ी मात्रा में ऊष्मा को अवशोषित करते हैं जब तक कि सभी सामग्री पिघल न जाए। जब किसी तरल पदार्थ के चारों ओर परिवेश का तापमान गिरता है, तो पीसीएम जम जाता है, जिससे उसकी संग्रहित गुप्त ऊष्मा निकल जाती है। -5 से 190 डिग्री सेल्सियस तक किसी भी आवश्यक तापमान श्रेणी में बड़ी संख्या में पीसीएम उपलब्ध हैं।[1] 20 और 30 डिग्री सेल्सियस के बीच मानव सुविधा सीमा के भीतर, कुछ पीसीएम बहुत प्रभावी होते हैं, चिनाई के लिए लगभग एक किलो जूल/(किग्रा * डिग्री सेल्सियस) की विशिष्ट ताप क्षमता के मुकाबले 200 किलोजूल/किलोग्राम गुप्त ऊष्मा का भंडारण करते हैं। इसलिए यदि 10 डिग्री सेल्सियस के तापमान में बदलाव की अनुमति दी जाती है तो भंडारण घनत्व चिनाई प्रति किलो से 20 गुना अधिक हो सकता है।[2] हालांकि, चूंकि चिनाई का द्रव्यमान पीसीएम की तुलना में कहीं अधिक है, इसलिए यह विशिष्ट (प्रति द्रव्यमान) ताप क्षमता कुछ हद तक प्रतिसंतुलन है। एक चिनाई वाली दीवार का द्रव्यमान 200 किग्रा/एम2 हो सकता है, इसलिए ताप क्षमता को दोगुना करने के लिए पीसीएम के अतिरिक्त 10 किग्रा/एम2 की आवश्यकता होगी।
कार्बनिक पीसीएम
हाइड्रोकार्बन, मुख्य रूप से पैराफिन (CnH2n+2) और लिपिड लेकिन शुगर अल्कोहल भी।[3][4][5]
- लाभ
- बिना अधिक उच्च शीतलन के हिमन करें
- सर्वांगतः से पिघलने की क्षमता
- स्वतः न्यूक्लिएन गुण
- निर्माण की पारंपरिक सामग्री के साथ संगतता
- कोई अलगाव नहीं
- रासायनिक रूप से स्थिर
- सुरक्षित और गैर प्रतिक्रियाशील
- हानि
अकार्बनिक
नमक हाइड्रेट्स (MxNy·nH2O)[8]
- लाभ
- उच्च आयतनमितीय गुप्त ऊष्मा भंडारण क्षमता
- उपलब्धता और कम लागत
- तीव्र गलनांक
- उच्च तापीय चालकता
- संलयन की उच्च ऊष्मा
- गैर ज्वलनशील
- वहनीयता
- हानि
- चक्रण पर असंगत पिघलने और चरण पृथक्करण को रोकना मुश्किल है, जिससे गुप्त ऊष्मा ऊष्मीय धारिता में महत्वपूर्ण नुकसान हो सकता है।[9]
- धातु जैसे कई अन्य पदार्थों के लिए संक्षारक हो सकता है।[10][11][12] इसे गैर-प्रतिक्रियाशील प्लास्टिक में केवल विशिष्ट धातु-पीसीएम युग्मन या थोड़ी मात्रा में संपुटीकरण का उपयोग करके दूर किया जा सकता है।
- कुछ मिश्रणों में आयतन परिवर्तन बहुत अधिक होता है।
- उच्च शीतलन ठोस-तरल संक्रमण में एक समस्या हो सकती है, जिससे न्यूक्लियिंग एजेंटों के उपयोग की आवश्यकता होती है जो बार-बार चक्रण के बाद निष्क्रिय हो सकते हैं।
हाइग्रोस्कोपिक सामग्री
कई प्राकृतिक निर्माण सामग्री हीड्रोस्कोपिक हैं, अर्थात वे अवशोषित कर सकते हैं (पानी संघनित) और पानी छोड़ सकते हैं (पानी वाष्पित हो जाता है)। प्रक्रिया इस प्रकार है-
- संघनन (गैस से द्रव) ΔH<0, एन्थैल्पी घट जाती है (एक्सोथर्मिक प्रक्रिया) ऊष्मा उत्पन्न करती है।
- वाष्पीकरण (तरल से गैस) ΔH>0, एन्थैल्पी बढ़ जाती है (एन्डोथर्मिक प्रक्रिया) ऊष्मा (या ठंडा) को अवशोषित करती है।
जबकि यह प्रक्रिया थोड़ी मात्रा में ऊर्जा मुक्त करती है, बड़ी सतह क्षेत्र इमारतों में महत्वपूर्ण (1-2 डिग्री सेल्सियस) ताप या शीतलन की अनुमति देता है। संबंधित सामग्रियां ऊन इन्सुलेशन और पृथ्वी/मिट्टी रूपांतरण खत्म होता हैं।
ठोस-ठोस पीसीएम
पीसीएम का एक विशेष समूह जो संबंधित अवशोषण और बड़ी मात्रा में ऊष्मा को अवमुक्त के साथ एक ठोस / ठोस चरण संक्रमण से गुजरता है। ये सामग्रियां अपनी क्रिस्टलीय संरचना को एक निश्चित और अच्छी तरह से परिभाषित तापमान पर एक जाली विन्यास से दूसरे में बदलती हैं, और परिवर्तन में सबसे प्रभावी ठोस / तरल पीसीएम की तुलना में गुप्त ऊष्मा सम्मिलित हो सकती हैं। ऐसी सामग्रियां उपयोगी हैं, क्योंकि ठोस/तरल पीसीएम के विपरीत, उच्च शीतलन को रोकने के लिए उन्हें न्यूक्लिएशन की आवश्यकता नहीं होती है। इसके अतिरिक्त, क्योंकि यह एक ठोस/ठोस चरण परिवर्तन है, पीसीएम की उपस्थिति में कोई दृश्य परिवर्तन नहीं होता है, और तरल पदार्थ को संभालने से संबंधित कोई समस्या नहीं होती है, उदाहरण- रोकथाम, संभावित रिसाव, आदि। वर्तमान में ठोस-ठोस पीसीएम समाधानों की तापमान सीमा -50 °C (-58 °F) से +175 °C (347 °F) तक फैली हुई है।[14]
चयन मानदंड
चरण परिवर्तन सामग्री में निम्नलिखित उष्मागतिक गुण होने चाहिए।[15]
- वांछित ऑपरेटिंग तापमान सीमा में पिघलने का तापमान
- प्रति इकाई आयतन में संलयन की उच्च गुप्त ऊष्मा
- उच्च विशिष्ट ऊष्मा, उच्च घनत्व और उच्च तापीय चालकता
- रोकथाम की समस्या को कम करने के लिए ऑपरेटिंग तापमान पर चरण परिवर्तन और छोटे वाष्प के दबाव पर छोटी मात्रा में परिवर्तन होता है
- सर्वांगसम पिघलना
गतिज गुण
- तरल चरण के उच्च शीतलन से बचने के लिए उच्च न्यूक्लिएशन दर
- क्रिस्टल विकास की उच्च दर, ताकि प्रणाली, भंडारण प्रणाली से ऊष्मा पुनःप्राप्ति की मांगों को पूरा कर सके
रासायनिक गुण
- रासायनिक स्थिरता
- पूर्ण प्रतिवर्ती हिमन/पिघल चक्र
- बड़ी संख्या में हिमन/पिघल चक्र के बाद कोई गिरावट नहीं
- गैर-संक्षारक, गैर-विषाक्त, गैर-ज्वलनशील और गैर-विस्फोटक सामग्री
आर्थिक गुण
- कम लागत
- उपलब्धता
तापभौतिकीय गुण
चरण-परिवर्तन सामग्री के प्रमुख तापभौतिकीय गुणों में सम्मिलित हैं- गलनांक (Tm), संलयन की ऊष्मा (ΔHfus), विशिष्ट ऊष्मा (cp) (ठोस और तरल चरण की), घनत्व (ρ) (ठोस और तरल चरण की) और तापीय चालकता। आयतन परिवर्तन और आयतनमितीय ताप क्षमता जैसे मानो की गणना वहां से की जा सकती है।
प्रौद्योगिकी, विकास, और संपुटीकरण
सबसे अधिक उपयोग किए जाने वाले पीसीएम नमक हाइड्रेट्स, वसा अम्ल और एस्टर, और विभिन्न पैराफिन (जैसे ऑक्टाडेकेन) हैं। हाल ही में भी आयनिक तरल पदार्थों की उपन्यास पीसीएम के रूप में जांच की गई थी।
चूंकि अधिकांश कार्बनिक समाधान जल-मुक्त होते हैं, इसलिए उन्हें हवा के संपर्क में लाया जा सकता है, लेकिन पानी के वाष्पीकरण या अपक्षय को रोकने के लिए सभी नमक आधारित पीसीएम समाधानों को संपुटित किया जाना चाहिए। दोनों प्रकार के कुछ फायदे और नुकसान हैं और अगर उन्हें सही तरीके से लागू किया जाए तो कुछ नुकसान कुछ अनुप्रयोगों के लिए एक फायदा बन जाते हैं।
वे 19वीं शताब्दी के उत्तरार्ध से तापीय भंडारण अनुप्रयोगों के लिए एक माध्यम के रूप में उपयोग किए जाते रहे हैं। रेल[16]और सड़क अनुप्रयोगों[17] के लिए प्रशीतित परिवहन जैसे विविध अनुप्रयोगों में उनका उपयोग किया गया है[18] और इसलिए, उनके भौतिक गुण सर्वविदित हैं।
बर्फ भंडारण प्रणाली के विपरीत, हालांकि, पीसीएम प्रणाली का उपयोग किसी भी पारंपरिक पानी के द्रुतशीतक के साथ एक नए या वैकल्पिक रूप से पुनःसंयोजन अनुप्रयोग दोनों के लिए किया जा सकता है। सकारात्मक तापमान चरण परिवर्तन केन्द्रापसारक और अवशोषण द्रुतशीतक के साथ-साथ पारंपरिक पारस्परिक और स्क्रू द्रुतशीतक प्रणाली या टीईएस प्रणाली को आवेशित करने के लिए शीतलक टावर या शुष्क शीतलक का उपयोग करने वाली निम्न परिवेश स्थितियों की अनुमति देता है।
पीसीएम प्रौद्योगिकी द्वारा प्रदान की जाने वाली तापमान सीमा मध्यम और उच्च तापमान ऊर्जा भंडारण अनुप्रयोगों के संबंध में निर्माण सेवाओं और प्रशीतन इंजीनियरों के लिए एक नया क्षितिज प्रदान करती है। इस तापीय ऊर्जा अनुप्रयोग का दायरा सौर ताप, गर्म पानी, ताप अस्वीकृति (यानी, शीतलक टॉवर), और शुष्क शीतलक परिपथिकी तापीय ऊर्जा भंडारण अनुप्रयोगों की व्यापक श्रेणी है।
चूंकि पीसीएम तापीय चक्रण में ठोस-तरल के बीच रूपांतरित होते हैं, इसलिए संपुटीकरण[19] स्वाभाविक रूप से स्पष्ट भंडारण विकल्प बन गया।
- पीसीएम का संपुटीकरण
- दीर्घ -संपुटीकरण- अधिकांश पीसीएम की खराब तापीय चालकता के कारण बड़ी मात्रा में रोकथाम के साथ दीर्घ -संपुटीकरण का प्रारंभिक विकास विफल हो गया। पीसीएम प्रभावी ऊष्मा हस्तांतरण को रोकने वाले पात्रों के किनारों पर जमने लगते हैं।
- दीर्घ -संपुटीकरण- दूसरी ओर दीर्घ -संपुटीकरण में ऐसी कोई समस्या नहीं दिखाई दी। यह पीसीएम को आसानी से और आर्थिक रूप से निर्माण सामग्री, जैसे कंक्रीट में सम्मिलित करने की अनुमति देता है। दीर्घ -संपुटित पीसीएम एक सुवाह्य ऊष्मा भंडारण प्रणाली भी प्रदान करते हैं। एक सूक्ष्म आकार के पीसीएम को एक सुरक्षात्मक विलेपन के साथ विलेपन करके, कणों को एक सतत चरण जैसे कि पानी में निलंबित किया जा सकता है। इस प्रणाली को चरण परिवर्तन घोल (पीसीएस) माना जा सकता है।
- आणविक-संपुटीकरण एक अन्य तकनीक है, जिसे ड्यूपॉन्ट डी नेमोर्स द्वारा विकसित किया गया है जो एक बहुलक यौगिक के भीतर पीसीएम की बहुत उच्च सांद्रता की अनुमति देता है। यह 5 मिमी बोर्ड (103 MJ/m3) के लिए 515 kJ/m2 तक भंडारण क्षमता की अनुमति देता है। आणविक-संपुटीकरण बिना किसी पीसीएम रिसाव के सामग्री के माध्यम से बेधने और काटने की अनुमति देता है।
चूंकि चरण परिवर्तन सामग्री छोटे पात्रों में सबसे अच्छा प्रदर्शन करती है, इसलिए उन्हें प्रायः कोशिकाओं में विभाजित किया जाता है। स्थैतिक सिर को कम करने के लिए कोशिकाएं उथली हैं - उथले पात्र ज्यामिति के सिद्धांत के आधार पर। पैकेजिंग सामग्री को अच्छी तरह से ऊष्मा का संचालन करना चाहिए, और यह इतना टिकाऊ होना चाहिए कि चरण परिवर्तन होने पर भंडारण सामग्री के आयतन में बार-बार होने वाले परिवर्तनों का सामना कर सके। इसे दीवारों के माध्यम से पानी के मार्ग को भी प्रतिबंधित करना चाहिए, ताकि सामग्री सूख न जाए (या यदि सामग्री हाइग्रोस्कोपिक है तो पानी बाहर निकल जाए)। पैकेजिंग को रिसाव और जंग का भी विरोध करना चाहिए। कमरे के तापमान पीसीएम के साथ रासायनिक संगतता दिखाने वाली सामान्य पैकेजिंग सामग्री में स्टेनलेस स्टील, पॉलीप्रोपाइलीन और पॉलीओलेफ़िन सम्मिलित हैं।
पीसीएम में कार्बन नैनोट्यूब, ग्रेफाइट, ग्रेफीन, धातु और धातु ऑक्साइड जैसे नैनोकणों को फैलाया जा सकता है। यह ध्यान देने योग्य है कि नैनोकणों को सम्मिलित करने से न केवल पीसीएम की तापीय चालकता विशेषता बल्कि अन्य विशेषताओं के साथ-साथ गुप्त ऊष्मा क्षमता, उप-शीतलन, चरण परिवर्तन तापमान और इसकी अवधि, घनत्व और चिपचिपाहट में भी परिवर्तन होगा। पीसीएम के नए समूह को एनईपीसीएम कहा जाता है।[20] एनईपीसीएम को और भी उच्च तापीय प्रवाहकीय संयोजन के निर्माण के लिए धातु के फोम में जोड़ा जा सकता है।[21]
तापीय सम्मिश्रण
तापीय सम्मिश्रण एक शब्द है जो चरण परिवर्तन सामग्री (पीसीएम) और अन्य (प्रायः ठोस) संरचनाओं के संयोजन को दिया जाता है। एक साधारण उदाहरण पैराफिन मोम में डूबी तांबे की जाली है। पैराफिन मोम के भीतर तांबे की जाली को एक मिश्रित सामग्री माना जा सकता है, जिसे तापीय सम्मिश्रण कहा जाता है। इस तरह की संकर सामग्री विशिष्ट समग्र या थोक गुणों को प्राप्त करने के लिए बनाई जाती है (उदाहरण सतह क्षेत्र-से-आयतन अनुपात में वृद्धि के लिए अलग-अलग सिलिकॉन डाइऑक्साइड नैनोस्फियर में पैराफिन का संपुटीकरण है और इस प्रकार, उच्च ऊष्मा हस्तांतरण गति है [22])।
तापीय सम्मिश्रण बनाकर अधिकतम करने के लिए लक्षित तापीय चालकता एक सामान्य गुण है। इस स्थिति में, मूल विचार अपेक्षाकृत कम-संचालन वाले पीसीएम में एक उच्च चालक ठोस (जैसे तांबे की जाली या ग्रेफाइट[23]) जोड़कर तापीय चालकता को बढ़ाना है, इस प्रकार समग्र या थोक (तापीय) चालकता में वृद्धि होती है।[24] यदि पीसीएम को प्रवाहित करने की आवश्यकता होती है, तो ठोस झरझरा होना चाहिए, जैसे जाल।
अंतरिक्ष प्रौद्योगिकी उद्योग के लिए फाइबरग्लास या केवलर प्रीपरग जैसे ठोस सम्मिश्रण प्रायः एक तंतु (केवलर या ग्लास) और एक मैट्रिक्स (गोंद, जो तंतु को पकड़ने और संपीडन सामर्थ्य प्रदान करने के लिए जम जाता है) को संदर्भित करता है। एक तापीय सम्मिश्रण इतनी स्पष्ट रूप से परिभाषित नहीं है, लेकिन इसी तरह एक मैट्रिक्स (ठोस) और पीसीएम को संदर्भित कर सकता है, जो निश्चित रूप से परिस्थितियों के आधार पर प्रायः तरल और/या ठोस होता है। वे पृथ्वी में छोटे तत्वों की खोज के लिए भी हैं।
आवेदन
अनुप्रयोग[1][25] चरण परिवर्तन सामग्री में शामिल हैं, लेकिन इन तक सीमित नहीं हैं:
- थर्मल ऊर्जा भंडारण, जैसे FlexTherm Eco[26] फ्लैम्को द्वारा।
- सोलर कुकिंग
- शीत ऊर्जा बैटरी
- एचवीएसी, जैसे 'आइस-स्टोरेज'
- गर्मी और बिजली के इंजनों का ठंडा होना
- शीतलक: भोजन, पेय पदार्थ, कॉफी, शराब, दुग्ध उत्पाद, ग्रीन हाउस
- सतहों पर बर्फ और ठंढ के गठन में देरी[27]
- चिकित्सा अनुप्रयोग: रक्त का परिवहन, ऑपरेटिंग टेबल, गर्म-ठंडी चिकित्सा, जन्म के श्वासावरोध का उपचारAravind, Indulekha; Kumar, KP Narayana (2015-08-02). "How two low-cost, made-in-India innovations MiraCradle & Embrace Nest are helping save the lives of newborns". timesofindia-economictimes.</ref>[28]
- भारी कपड़ों या परिधानों के नीचे मानव शरीर ठंडा होना।
- अपशिष्ट गर्मी वसूली
- ऑफ-पीक बिजली उपयोग: गर्म पानी गर्म करना और ठंडा करना
- हीट पंप सिस्टम
- जैव-जलवायु भवन/वास्तुकला में निष्क्रिय भंडारण (उच्च घनत्व पॉलीथीन, पैराफिन)
- रासायनिक प्रतिक्रियाओं में एक्ज़ोथिर्मिक तापमान शिखर को चौरसाई करना
- सौर ऊर्जा संयंत्र*
- अंतरिक्ष यान थर्मल सिस्टम
- वाहनों में थर्मल आराम
- इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की थर्मल सुरक्षा
- भोजन का थर्मल संरक्षण: परिवहन, होटल व्यापार, आइसक्रीम, आदि।
- कपड़ों में इस्तेमाल होने वाले वस्त्र
- कंप्यूटर कूलिंग
- थर्मल ऊर्जा भंडारण के साथ टर्बाइन इनलेट चिलिंग
- उष्णकटिबंधीय क्षेत्रों में दूरसंचार आश्रय। वे बेस स्टेशन सबसिस्टम जैसे बिजली के भूखे उपकरणों द्वारा उत्पन्न गर्मी को अवशोषित करके इनडोर हवा के तापमान को अधिकतम अनुमेय से नीचे रखकर आश्रय में उच्च मूल्य वाले उपकरणों की रक्षा करते हैं। पारंपरिक शीतलन प्रणालियों में बिजली की विफलता के मामले में, पीसीएम डीजल जनरेटर के उपयोग को कम करते हैं, और यह उष्णकटिबंधीय क्षेत्रों में हजारों दूरसंचार साइटों में भारी बचत में तब्दील हो सकता है।
आग और सुरक्षा के मुद्दे
कुछ चरण परिवर्तन सामग्री पानी में निलंबित हैं, और अपेक्षाकृत गैर-विषैले हैं। अन्य हाइड्रोकार्बन या अन्य ज्वलनशील पदार्थ हैं, या विषाक्त हैं। जैसे, अग्नि और भवन कोड और ध्वनि इंजीनियरिंग प्रथाओं के अनुसार, पीसीएम का चयन और बहुत सावधानी से लागू किया जाना चाहिए। आग के बढ़ते जोखिम, आग की लपटों, धुएं, कंटेनरों में रखे जाने पर विस्फोट की संभावना और दायित्व के कारण, आवासीय या अन्य नियमित रूप से कब्जे वाले भवनों के भीतर ज्वलनशील पीसीएम का उपयोग नहीं करना बुद्धिमानी हो सकती है। चरण परिवर्तन सामग्री का उपयोग इलेक्ट्रॉनिक्स के थर्मल विनियमन में भी किया जा रहा है।
यह भी देखें
- गरम पाइप
संदर्भ
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- बुध (तत्व)
- रंगीन सोना
- कारण की उम्र
- राइट ब्रदर्स
- मिश्र धातु पहिया
- विमान की त्वचा
- धातु का कोना
- कलफाद
स्रोत
- चरण परिवर्तन सामग्री (पीसीएम) आधारित ऊर्जा भंडारण सामग्री और वैश्विक अनुप्रयोग उदाहरण, ज़फ़र यूआरई एम.एससी।, सी.ईएनजी। मशरे एचवीएसी एप्लीकेशन
- फेज चेंज मटीरियल बेस्ड पैसिव कूलिंग सिस्टम्स डिजाइन प्रिंसिपल और ग्लोबल एप्लीकेशन उदाहरण, जफर यूआरई एमएससी, सी.इंजी। मशरे पैसिव कूलिंग एप्लीकेशन
अग्रिम पठन
- Raoux, S. (2009). "Phase Change Materials". Annual Review of Materials Research. 39: 25–48. Bibcode:2009AnRMS..39...25R. doi:10.1146/annurev-matsci-082908-145405.
- Phase Change Matters (industry blog)
