Совершенствование приоритетов в энергетической отрасли Казахстана влияет на улучшение энергоэффективности в строительной промышленности страны. Важными параметрами снижения энергопотребления в строительстве являются внедрение новшества и научно-технических инноваций в различных отраслях промышленности народного хозяйства, а также в строительной индустрии, таких как энергосберегательные конструкционные строительные изделия с улучшенными теплотехническими свойствами. Прогресс научно-технического новшества в строительной индустрии связан с разработкой теплоаккумулирующих материалов с улучшенными энергосберегательными свойствами, используемых для повышения комфортности и в ограждении конструкций зданий и помещений, приводит к развитию в производстве энергосберегающих строительных материалов, таких как теплоаккумулирующие материалы [1–3].
Перспективным и экономически целесообразным направлением в производстве теплоаккумулирующих материалов является разработка новых энергосберегающих материалов со скрытой формой аккумулирования энергии, к которым можно отнести фазопереходные теплоаккумулирующие материалы [4, 5]. В фазопереходных теплоаккумулирующих материалах передача термической энергии происходит во время фазового перехода, когда материал претерпевает фазовую трансформацию (твердое → жидкое). При трансформации фаз материалов твердое → жидкое теплоаккумулирующие материалы ведут себя как традиционные аккумулирующие материалы, их температура повышается, когда они абсорбируют тепло [6, 7]. В отличие от известных теплоаккумулирующих материалов в фазопереходных теплоаккумулирующих материалах выделение температуры связано с образованием кристаллической формы материала, где аккумуляция тепла происходит из-за распада кристаллической структуры материала при их плавлении.
К фазопереходным теплоаккумулирующим материалам предъявляются ряд требований, особо важные параметры, влияющие на применение их в строительстве: высокая энтальпия плавления и фазовая трансформация теплоаккумулирующего материала (твердое → жидкое); эксплуатационная регламентированная температура плавления и фазовой трансформации при ее высокой стабильности; отличная выработка теплофизических свойств теплоаккумулирующих материалов на протяжении продолжителнього цикла плавления и кристаллизации; пассивность по отношению к конструкционным материалам при комбинированном строительстве, удовлетворение норм экологических требований и безопасности при их эксплуатации.
На основе анализа теплофизических свойств различных теплоаккумулирующих материалов проанализируем возможность их использования в качестве фазопереходного теплоаккумулирующего материала в основном из промышленных отходов, обладающего оптимальной удельной теплоемкостью, высокой эксплуатационной надежностью и экономической целесо- образностью. Целью исследования являлось изучение динамики охлаждения помещения с теплоаккумулирующим материалом в конструкции стен.
Материалы и методы исследования
При исследовании теплофизических и теплотехнических свойств теплоаккумулирующих материалов их сравнительные анализы указывают на необходимость изучения тех же свойств (теплофизические, теплотехнические) для ряда химических соединений, неорганических и органических веществ [8]. Известно, что используемые в настоящее время в технике теплоаккумулирующие материалы с фазовыми переходами жожно разделить на 4 класса – жирные кислоты, гидраты солей, соединений металлов и парафины (н-алканы).
Жидкие и твердые парафины (ценные соединения н-алканов) соответствуют следующим параметрам: широкодоступны, за счет многотоннажного выделения в качестве побочного продукта при переработке нефти, и имеют высокие эксплуатационные характеристики, неограниченно применяются в технике и нефтехимии [9, 10].
Рассматриваемым нами основным компонентом парафина является алифатический углеводород CnH2n+2 (н-алканы). В качестве основного ценного материала в производстве теплоаккумулирующих материалов являются жидкие парафины, которые состоят из смеси нормальных н-алканов от C9H20 до C40H82, температура их кипения в интервале 180–370 °С в зависимости от составных компонентов и примесей. Твердые парафины также состоят из смеси твердых н-алканов от C20H42 до C24H50, у которых температура кипения составляет в пределах 300–500 °С.
Результаты исследования и их обсуждение
При применении парафинов в качестве теплоаккумулирующих материалов следует иметь в виду, что температура выделения тепла при охлаждении заметно отличается от температуры поглощения. Главное преимущество использования парафина как основу теплоаккумулирующих материалов в том, что их фазовый переход находится в области тех температур, регламентированных законодательными органами Казахстана, например, санитарно-гигиеническими нормами для помещений жилых и других общественных помещений, которые в процессе циклического многократного нагрева/охлаждения сохраняют свои теплотехнические свойства, а по экономическим характеристикам выгодно отличаются от чистых н-алканов и других соединений. При этом основным преимуществом использования парафинов в составлении теплоаккумулирующих материалов являются теплотехнические свойства парафина, где при охлаждении экзотермический эффект различается от температуры поглощения.
Теплофизические свойства технических парафинов по литературным данным приведены в табл. 1.
Таблица 1
Теплофизические свойства технических парафинов [10]
|
Количество атомов С |
Температура фазового перехода, °С |
Суммарная теплота плавления и фазового перехода, Дж/г |
Плотность парафинов в жидком состоянии, кг/м3 |
Удельная теплоемкость, кДж/кг К |
Коэффициент теплопроводности, Вт/м К |
|
9–12 |
от –9 до –53 |
184 |
686 |
2,1 |
0,15 |
|
13–16 |
от –6 до 18 |
196 |
716 |
2,1 |
0,19 |
|
16–18 |
от 18 до 28 |
212 |
734 |
2,1 |
0,21 |
|
16–28 |
от 42 до 44 |
214 |
765 |
2,1 |
0,21 |
|
20–33 |
от 48 до 50 |
218 |
769 |
2,1 |
0,21 |
|
22–45 |
от 58 до 60 |
221 |
795 |
2,1 |
0,21 |
|
24–50 |
от 66 до 68 |
221 |
830 |
2,1 |
0,21 |
Из табл. 1 видно, что влияние роста числа атомов углерода от 16 до 50 в н-алканах способствует повышению теплотехнического эффекта фазового перехода и плавления от 18 до 68 °С. Таким образом, парафины характеризуются высокой суммарной теплотой фазового перехода и плавления. Твердые парафины могут иметь два фазовых перехода, в кристаллическом состоянии, с экзотермическим и эндотермическим эффектами при плавлении и испарении. Известно, что в теплоаккумулирующих материалах на основе твердых парафинов при кристаллическом состоянии до осуществления фазового перехода, а также жидкофазном состоянии при плавлении теплоемкость парафина размеренно увеличивается с повышением температуры.
В качестве фазопереходных теплоаккумулирующих материалов могут использоваться и жирные кислоты СН3(СН2)2nСООН [8, 11]. При сравнении жирных кислот с парафинами, согласно табл. 2, у них температура и суммарная теплота плавления идентичны, ниже на 24 % коэффициент теплопроводности жирных кислот и удельная теплоемкость 31 %, которым свойственна химическая стойкость соединений с низкой или нулевой степенью переохлаждения. Основными недостатками жирных кислот как теплоаккумулирующих строительных материалов являются: несколько высокие по сравнению с эксплуатационными температурами температуры плавления, а также их высокая стоимость по сравнению с парафинами (в 2,0–2,5 раза).
Таблица 2
Теплофизические свойства жирных кислот [11]
|
Кислота |
Химическая формула |
Температура фазового перехода, °С |
Суммарная теплота плавления и фазового перехода, Дж/г |
Плотность в жидком состоянии, кг/м3 |
Удельная теплоемкость, кДж/кг К |
Коэффициент теплопроводности, Вт/м К |
|
Каприловая |
СН3(СН2)6СООН |
16 |
128 |
862 (80*С) |
– |
0,148 |
|
Каприновая |
СН3(СН2)8СООН |
32 |
136 |
866 (40*С) |
– |
0,149 |
|
Лауриновая |
СН3(СН2)10СООН |
42–44 |
155 |
870 (50*С) |
1,6 |
0,147 |
|
Марисиновая |
СН3(СН2)12СООН |
54 |
158 |
840 (80*С) |
1,6 |
– |
|
Пальмитиновая |
СН3(СН2)14СООН |
63 |
159 |
847 (80*С) |
– |
0,165 |
|
Стеариновая |
С17Н35СООН |
70 |
191 |
– |
– |
0,172 |
Вызывает большой интерес использование гидратов солей в теплоаккумулирующих материалах с фазовыми переходами, где их физические свойства солей представлены ниже (табл. 3). Для гидратов солей характерно высокое выделение теплоты фазового перехода (1,5...2,0 раза), низкая удельная теплоемкость (1,5...2,0 раза) и высокий коэффициент теплопроводности (2...4 раза) по сравнению с жирными кислотами, парафинами. Рассматриваемые материалы имеют шанс быть примененными в качестве низкотемпературных аккумулирующих материалов с низкой себестоимостью по сравнению с жирными кислотами, парафинами.
Таблица 3
Теплофизические свойства гидратов солей [11]
|
Вещество |
Химическая формула |
Температура фазового перехода, °С |
Суммарная теплота плавления и фазового перехода, Дж/г |
Плотность в жидком состоянии, кг/м3 |
Удельная теплоем-кость, кДж/кг К |
Коэффициент теплопроводности, Вт/м К |
|
КР · 4Н2О |
18,5 |
231 |
1455 |
1,83 |
– |
|
|
Гидрат хлорида кальция |
СаСl · 6Н2О |
29,7 |
171 |
1710 |
– |
0,60 |
|
Гидрат сульфата натрия |
Na2SO4 ·10Н2О |
32,4 |
254 |
1485 |
1,93 |
0,54 |
|
Гидрат гидрофосфата натрия |
Na2HPO4·12Н2О |
35,2 |
280 |
1420 |
1,55 |
0,50 |
|
Гидрат нитрата цинка |
Zn(NO3)2 · 6Н2О |
36,4 |
147 |
2065 |
1,34 |
– |
|
Гидрат дитионита натрия |
Na2S2O4 · 5Н2О |
48,0 |
201 |
1600 |
1,46 |
– |
|
Гидрат гидроксида бария |
Ba(OH)2 · 8Н2О |
78,0 |
267 |
2180 |
1,17 |
– |
|
Гидрат хлорида магния |
MgCl2 · 6Н2О |
116,0 |
165 |
1570 |
1,72 |
– |
При этом следует отметить, неконгруэнтное плавление рассматриваемых гидратов солей ограничивает их использование, которое и является их главным недостатком. Общеизвестно, что при температуре плавления формируются насыщенная (концентрированная) фазы и малогидратированная твердая фаза с отражательным свойством. Дополнительно гидраты солей в виде расплавов характеризуются переохлаждаемостью, а также большим объемным весом.
В качестве фазопереходных теплоаккумулирующих материалов, в принципе, могут использоваться и ряд соединений металлов. Рассматриваемые 2, 3-компонентные эвтектические составы, используемых в основном в теплоаккумулирующих материалах фазовые переходы и их теплофизические свойства, представлены в табл. 4.
Таблица 4
Теплофизические свойства соединений металлов [10]
|
Соединение |
Химическая формула |
Температура фазового перехода, °С |
Суммарная теплота плавления и фазового перехода, Дж/г |
|
Гидрид лития |
LiH |
961 |
2511 |
|
Фторид лития |
LiF |
1118 |
1030 |
|
Фторид натрия |
NaF |
1273 |
792 |
|
Фторид магния |
MgF2 |
1236 |
918 |
|
Силицид магния |
Mg2Si |
1379 |
828 |
|
Силицид кобальта |
CoSi2 |
1600 |
864 |
|
Силицид титана |
TiSi2 |
1818 |
1116 |
|
Смесь оксидов бериллия и кальция |
3BeO-2CaO |
1690 |
936 |
|
Смесь оксидов алюминия, бериллия и титана |
Al2O3-2BeO-4TiO2 |
1891 |
990 |
|
Смесь оксидов алюминия, бериллия и магния |
Al2O3-4BeO-MgO |
1918 |
1440 |
|
Смесь оксидов алюминия, бериллия и магния |
Al2O3-2BeO-MgO |
3033 |
1530 |
|
Смесь оксидов бериллия и магния |
3BeO-2MgO |
2153 |
2088 |
Соединение металлов в виде многокомпонентных фторидов, силицидов, оксидов характеризуются более высокими значениями теплоты фазового перехода в пределах 4–17 раз выше, чем теплота показателей парафинов (н-алканов), жирных кислот и гидратов солей [10]. При этом надо отметить, что температура фазовых переходов и теплофизические свойства рассматриваемых соединений металлов очень высоки (900–2000 °С), они напрямую влияют на высокую стоимость строительных материалов изготавливаемых из них, что является экономически нецелесообразным при их эксплуатации в энергосберегательных ограждающих конструкциях [12, 13].
Заключение
На основе сравнительного анализа теплофизических свойств рассмотренных соединений металлов и других фазопереходных теплоаккумулирующих материалов, выявлено наиболее оптимальная в эксплуатации в строительной индустрии по эффекту теплоемкости, доступности материала, соответствующим условиям эксплуатации температуры фазового перехода материала, стоимости являются парафины. Однако возникает необходимость разработки низкотемпературных теплоаккумулирующих материалов на основе товарных (твердых и жидких) парафинов и н-алканов с требуемыми теплофизическими свойствами, разработки рациональной методики составления многокомпонентных теплоаккумулирующих материалов на основе парафинов, а также изучение их эксплуатационных свойств.
Работа выполнена согласно договору на выполнение научно-исследовательских работ в рамках государственного заказа № 212-5 от 19 марта 2018 г. по теме АР05130618 «Разработка и исследование теплоаккумулирующих материалов на основе товарных парафинов с заданными теплотехническими свойствами для ограждающих конструкций зданий».