Novel phase change material compositions for heat transfer and storage applications

Julkaisun otsikon käännös: Uudet faasimuutosmateriaalikompositiot lämpövarasto- ja lämmönsiirtosovelluksiin

Salla Puupponen

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Tehokas energian varastointi ja siirto ovat keskeisessä asemassa, jotta kasvava energiantarve voidaan täyttää ympäristöystävällisesti. Lämpöenergia kattaa suuren osan käyttöenergiasta: Suomessa lämmitys ja ilmanvaihto kattaa 22 % kokonaisenergiankulutuksesta. Tässä väitöskirjassa kehitetään uusia lämmönsiirto- ja lämpövarastomateriaaleja perustuen faasimuutosmateriaaleihin (engl. phase change material, PCM). Useiden tutkimusten mukaan nanonesteillä, lämmönsiirtonesteiden ja nanopartikkelien suspensioilla, on havaittu olevan korkeampi lämmönjohtavuus ja parempi lämmönsiirtokyky kuin perinteisillä lämmönsiirtonesteillä. Alan tutkimustulokset ovat kuitenkin ristiriitaisia, ja joissakin tutkimuksissa nanonesteillä ei ole havaittu lainkaan poikkeavia lämmönsiirto-ominaisuuksia. Tämä väitöskirja keskittyy uuteen nanonestetyyppiin: PCM nanopartikkelisuspensioihin. PCM nesteiden lämmönsiirto perustuu sekä PCM:n latenttilämpöön että suspension tuntuvaan lämpöön. Väitöskirjassa valmistetaan PCM nanonesteitä korkea- ja matalaenergian emulgointimenetelmillä. Nanonesteiden heterogeenisyys, viskositeetti ja lämpökapasiteetti vaikuttavat eniten nesteiden konvektiiviseen lämmönsiirtotehokkuuteen. Nanonesteiden johtavuudessa tai lämmönsiirtokyvyssä ei havaita poikkeavuuksia, kun nesteiden heterogeenisyys ja muuttuneet aineominaisuudet huomoidaan analyysissä. Tehokkaassa pitkäaikaisessa lämpövarastossa varastointiperiodi voi olla useita kuukausia, jopa vuosia.Tehokas pitkäaikainen lämpövarasto olisi erittäin tärkeä innovaatio erityisesti kylmän ilmaston maissa. Lämpöenergiaa voidaan varastoida pitkäaikaisesti lähes häviöttömästi alijäähtyneeseen PCM:n. Varastoitu energia vapautetaan kiteyttämällä alijäähtynyt PCM. Alijäähtyneen tilan metastabiilisuus on estänyt tähän asti ilmiön hyödyntämisen suurikokoisissa lämpövarastoissa: alijäähtynyt PCM on aina altis spontaanille kiteytymiselle, joka sattuessaan vapauttaa varastoidun energian. Tässä väitöskirjassa kehitetään kaksi uutta materiaalia pitkäaikaiseen lämmönvarastointiin. Materiaali-innovaatiot perustuvat alijäähtyvään sokerialkoholi PCM:n ja polymeerilisäaineeseen, joka muokkaa PCM:n alijäähtymis- ja kiteytymisominaisuuksia. Ensimmäinen materiaali on mikrorakenteinen polyoli-polystyreenikomposiitti, joka valmistetaan uudella menetelmällä hyödyntäen polyoli-styreeni emulsion polymerointia. Uusi mikrorakenteinen erytritoli PCM kiteytyy tehokkaammin ja toistettavammin kuin bulkki PCM. Toinen tämän työn lämpövarastoinnovaatio on lasittuva polyoli-polyelektrolyyttiseos. Kiteytymisen sijaan PCM alijäähtyy ja lasittuu jäähdytyksessä. Materiaali vapauttaa varastoimansa lämpöenergian kylmäkiteytymällä. Ensimmäistä kertaa lämpöenergiaa voidaan varastoida pitkäaikaisesti ilman spontaanin kiteytymisen riskiä alijäähtyneeseen PCM:n kuinka alhaisessa lämpötilassa tahansa, ja purkaa amorfisesta materiaalista pienellä lämmityksellä.
Julkaisun otsikon käännösUudet faasimuutosmateriaalikompositiot lämpövarasto- ja lämmönsiirtosovelluksiin
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Järvinen, Mika, Vastuuprofessori
  • Ala-Nissilä, Tapio, Vastuuprofessori
  • Seppälä, Ari, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-7917-2
Sähköinen ISBN978-952-60-7918-9
TilaJulkaistu - 2018
OKM-julkaisutyyppiG5 Artikkeliväitöskirja

Tutkimusalat

  • faasimuutosmateriaali
  • lämmönsiirto
  • lämpövarasto
  • nanoneste
  • alijäähtyminen

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Uudet faasimuutosmateriaalikompositiot lämpövarasto- ja lämmönsiirtosovelluksiin'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä