Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,736

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФАЗОПЕРЕХОДНЫХ ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Аймбетова И.О. 1 Сулейменов У.С. 1 Камбаров М.А. 1 Калшабекова Э.Н. 1 Риставлетов Р.А. 1
1 Международный Казахско-Турецкий университет имени Ходжи Ахмеда Ясави
В статье рассмотрены преимущества использования теплоаккумулирующих материалов на основе парафинов и возможности их практического применения в ограждающих энергоактивных конструкциях, энергоэффективных многослойных ограждениях и панелях, а также в строительстве целом. Проведен сравнительный анализ теплофизических свойств фазопереходных теплоаккумулирующих материалов, при этом выявлено, что приемлемыми для практического использования в строительстве по оптимальной теплоемкости, доступности материала, соответствующим условиям эксплуатации температуры фазового перехода материала являются парафины. Технической и научной новизной работы является получение теплоаккумулирующих материалов, с уменьшением тепловых потерь, повышенной теплоаккумулирующей способностью за счет повышения энтальпии фазового перехода, предохраняющие здания от перегрева летом и переохлаждения зимой. В результате исследований выявлено что свойство исследуемых теплоаккумулирующих материалов увеличивать теплоемкость в процессе фазового перехода используют при разработке эффективных стеновых панелей, многослойных ограждающих конструкций со слоем из теплоаккумулирующего материала, а также в аккумуляторах теплоты. На основе результатов исследований выявлена роль температуры используемых при внешней поверхности теплоаккумулирующих материалов в ограждениях конструкций при низкой температуре (до кристаллизации). При этом определен переход теплоаккумулирующих материалов из жидкой в твердую фазу с экзотермическим эффектом. Выявлено, что теплота фазовой трансформации равносильно к теплоте строительного материала. Использование теплоаккумулирующих материалов в ограждающих конструкциях способствует поддержке температуры в климате закрытых площадок в продолжительное время, при этом повышается уровень комфортности зданий за счет экономии тепловых энергий. Результаты исследований могут быть предпосылками к проведению научно-исследовательских работ по разработке капсулированных теплоаккумулирующих материалов для включения в отделочные слои ограждения.
теплоаккумулирующие материалы
фазовый переход
конструкции
температура
теплоемкость
кристаллизация
1. Ukrainczyk N., Kurajica S., Sipusik J. Thermophysical Comparison of Five Commercial Paraffin Waxes as Latent Heat Storage Materials // Chemical & Bio-chemical Engineering Quarterly. 2010. Vol. 24. No. 2. P. 129–137.
2. Коричневская Т.В. Перспективные методы аккумулирования тепловой энергии // Научные труды Одесской национальной академии пищевых технологий. Мин. образования и науки Украины. Одесса, 2010. Вып. 37. C. 236–241.
Korinchevskaya T.V. Promising methods for the accumulation of heat energy // Scientific papers of the Odessa National Academy of Food Technologies. Min. Education and science of Ukraine. Odessa, 2010. Vol. 37. Р. 236–241 (in Ukrainian).
3. Михайлик В.А., Снежкин Ю.Ф., Коринчевская Т.В., Парняков А.С., Постников В.А. Теплофизические свойства теплоаккумулирующих материалов на основе органических соединений // Промышленная теплотехника. 2011. Т. 33. № 5. С. 96–103.
Mikhailik V.A., Snezhkin Yu.F., Korinchevskaya Т.V., Parnyakov A.S., Postnikov V.A. Thermophysical properties of heat-accumulating materials based on organic compounds // Industrial Heat Engineering. 2011. Vol. 33. № 5. P. 96–103 (in Russian).
4. Babaev B.D. Principles of Heat Accumulation and Heat-Accumulating Materials in Use // High Temperature. 2014. Vol. 52 (5). P. 736–751. DOI: 10.1134/S0018151X14050010/
5. Sari A. Thermal Energy Storage Properties and Laboratory-Scale Thermoregulation Performance of Bentonite/Paraffin Composite Phase Change Material for Energy-Efficient Buildings // Journal of Materials in Civil Engineering. 2017. Vol. 29 (6). DOI: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0001775.
6. Александров В.Д., Соболь О.В., Александрова О.В., Покинтелица Е.А., Лойко Д.П., Амерханова Ш.К. Применение фазопереходных теплоаккумулирующих материалов в строительстве // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. 2016. № 1 (117). С. 5–13.
Aleksandrov V.D., Sobol O.V., Aleksandrova O.V., Pokintelitsa E.A., Loyko Dative, Amerkhanova Sh.K. Application of phase transition thermal storage materials in construction // Bulletin of the Donbass National Academy of Construction and Architecture. 2016. № 1 (117). Р. 5–13 (in Russian).
7. Шайкежан А., Калмагамбетова А.Ш. Теплоизоляционные материалы: учебное пособие. Караганда: КарГТУ, 2011. 78 с.
Shaikezhan A., Kalmagambetova A.Sh. Thermal insulation materials: Education guidance. Karaganda: KarGTU, 2011. 78 p. (in Russian).
8. Быстров В.П., Ливчак А.В. Теплоаккумуляторы с использованием фазового перехода // Вопросы экономики теплоэнергетических ресурсов в системах вентиляции и теплоснабжения. Сб. науч. трудов. М.: Изд. ЦНИИЭПИО, 1984. С. 75–90.
Bystrov VP, Livchak A.V. Heat accumulators using a phase transition // Questions of economics of heat and power resources in ventilation and heat supply systems. Sb.nauch.trudov. M.: Izd. ZNIIEPIO, 1984. P. 75–90 (in Russian).
9. Mazlan Abdul Wahid, Seyed Ehsan Hosseini, Hasanen M. Hussen, Hussein J Akeiber, Safaa Saud, Abdulrahman Th. Mohammad. An overview of phase change materials for construction architecture thermal management in hot and dry climate region. Applied Thermal Engineering, 2017. Vol. 112. P. 1240–1259. DOI: 10.1016/j.applthermaleng.2016.07.032.
10. Хатина Е.В. Динамическая теплоизоляция ограждающих конструкций зданий // Ползуновский вестник. 2011. № 1. С. 224–228.
Khatina E.V. Dynamic thermal insulation of enclosing structures of buildings // Polzunovsky Vestnik. 2011. № 1. P. 224–228 (in Russian).
11. Цымбалюк Ю.В. Исследование процессов с фазовыми переходами материалов с пластинчатыми инклюзивами в тепловых аккумуляторах: дис. ... канд. техн. наук. Астрахань, 2006. 122 с.
Tsymbalyuk Yu.V. Investigation of processes with phase transitions of materials with lamellar inclusions in heat accumulators: dis. ... сand. texn. nauk. Astrakhan, 2006. 122 p. (in Russian).
12. Сулейменов У.С. Закономерности распределения тепловых потоков на наружных поверхностях ограждений зданий // Вестник КазГАСА. 2016. № 4 (62). С. 101–108.
Suleimenov U.S. Patterns of heat flow distribution on the outer surfaces of building fences // Bulletin of KazSAВA. 2016. № 4 (62). P. 101–108 (in Russian).
13. Матвеев В.М. Приближенный расчет теплопередачи в аккумуляторах тепла солнечных энергоустановок // Гелиотехника. 1971. № 5. С. 43–45.
Matveyev V.M. Approximate calculation of heat transfer in heat accumulators of solar power plants // Geliotekhnika. 1971. № 5. P. 43–45 (in Russian).

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».


Библиографическая ссылка

Аймбетова И.О., Сулейменов У.С., Камбаров М.А., Калшабекова Э.Н., Риставлетов Р.А. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ФАЗОПЕРЕХОДНЫХ ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 12-1. – С. 9-13;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36966 (дата обращения: 19.10.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074