gototopgototop

УДК 621.56

Получение теплоаккумулирующих материалов смешиванием индифидуалных н-алканов и их теплофизичеcкие свойства

Сүлейменов Улан Сейтказиевич – доктор технических наук, профессор, Южно-Казахстанского государственного университетп имени М. О. Ауэзова.

Аимбетова Индира – доктор PhD, ассоциированный профессор Международного казахско-турецкого университета имени Ходжи Ахмеда Ясави.

Риставлетов Раимберди Аманович – кандидат технических наук, доцент Южно-Казахстанского государственного университетп имени М. О. Ауэзова.

Кудабаев Руслан Бахтиярович – докторант Южно-Казахстанского государственного университетп имени М. О. Ауэзова.

Аннотация: В статье приведены данные исследования по получению теплоаккумулирующих материалов на основе парафинов, доказано получение теплоаккумулирующих материалов с температурой плавления до 250С с необходимыми теплофизическими свойствами смешиванием индивидуальных н-алканов. Экспериментально установлены составы и теплофизические свойства разработанных ТАМ, а также способность поддерживать требуемые температуры и эксплуатационные качества.

Ключевые слова: Теплоаккумулирующий материал, индивидуальные алканы, теплофизические свойства.

Abstract: The article presents research data on the production of heat-storage materials based on paraffins, it is proved that heat-storage materials with a melting point up to 250 ° C with the necessary thermophysical properties are mixed by mixing individual n-alkanes. The compositions and thermophysical properties of the developed TAMs, as well as the ability to maintain the required temperatures and performance, were experimentally established.

Keywords: Heat storage material, individual alkanes, thermophysical properties

Изменение приоритетов в энергетической стратегии Казахстана способствовало к активизации энергосбережения в строительстве. Одним из узловых точек снижения энергопотребления в строительстве является использование достижений научно-технического прогресса при производстве энергосберегающих строительных материалов, конструкций и оборудования, а также повышение теплозащитных качеств ограждающих конструкций зданий. Развитие такого научно-экспериментального направления в строительстве как создание зданий с эффективным использованием энергии связано с аккумулированием тепла в ограждающих конструкциях зданий, что приводит к формированию нового направления в производстве энергосберегающих строительных материалов, как теплоаккумулирующие материалы [1-3].

Системы теплоснабжения в жилых и общественных зданиях отличаются периодическим характером работы источника теплоты. При этом температура воздуха в помещениях может колебаться в пределах 3…50С из-за тепловой инерционности зданий. Вместе с тем максимальное потребление энергии происходит в дневное время, когда устанавливается комфортная температура (20-220С). Поэтому возникает необходимость получения теплоаккумулирующих материалов с температурой плавления ниже 250С, пригодных для использования в ограждающих конструкциях зданий, для регулирования тепла в их помещениях.

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 [4-7]. В фазопереходных теплоаккумулирующих материалах передача термической энергии происходит во время фазового перехода, когда материал переходит из твердого состояния в жидкое состояние. При переходе из твердого состояния в жидкое теплоаккумулирующие материалы ведут себя как традиционные аккумулирующие материалы, их температура повышается, когда они абсорбируют тепло. В отличие от известных теплоаккумулирующих материалов в фазопереходных теплоаккумулирующих материалах отдача тепла происходит за счет создания кристаллической структуры, а аккумулирование - за счет разрушения структуры при плавлении.

Твердые и жидкие парафины отвечают перечисленным выше требованиям, достаточно доступны, так как широко производятся в процессе переработки нефти и применяются широко в технике и нефтехимии. Их можно использовать для получения теплоаккумулирующих материалов с температурой плавления до 250С.

В качестве основы для производства теплоаккумулирующих материалов использовался твердый товарный парафин, содержащий н-алканы от С18Н38 – С21Н44 температурой плавления image001, суммарной теплотой плавления и фазового перехода image002 и жидкий парафин image003 с температурой плавления image004, содержащий н-алканы от image005 до image006 с суммарной энтальпией плавления и фазового перехода на уровне image007, в том числе, энтальпией плавления и фазового перехода - image008.

Рассмотрим основные теплотехнические свойства индивидуальных н-алканов, входящих в состав товарных жидких и твердых парафинов, в соответствии с таблицей 1.

Таблица 1. Основные теплотехнические свойства индивидуальных н-алканов от image009.

 

н-алкан

Молекулярная масса

Температура, 0С

Суммарная теплота плавления и фазового перехода, Дж/г

Плотность в жидком состоянии, кг/м3

Плавления

Фазового перехода

image005

198,2

5,9

-

205,2

712,7

image010

212,4

9,9

-2,3

206,8

719,2

image011

226,4

18,2

16,2

212,7

725,0

image006

240,5

21,7

10,5

212,7

730,0

image012

254,5

28,0

27,3

214,4

734,0

image013

268,5

32,0

22,8

214,4

739,0

image014

282,5

36,7

36,2

218,1

738,0

image015

296,6

40,3

32,5

219,8

746,8

Из данных таблицы 1 по температурам плавления индивидуальных н-алканов можно выбрать соответствующие н-алканы: image016 в качестве теплоаккумулирующих материалов с температурой плавления image017, image018с температурой плавления image019, image020 в качестве теплоаккумулирующих материалов с температурой плавления image021.

Отметим, что для индивидуальных н-алканов и их смесей, энтальпия плавления включает как энтальпию собственно плавления, так и энтальпию фазового перехода в кристаллическое состояние.

Для индивидуальных н-алканов предел температур, в котором идет поглощение или выделение теплоты, составляет image022 для четных н-алканов и image023для нечетных н-алканов.

Смешением нескольких индивидуальных н-алканов можно также получить теплоаккумулирующие материалы с требуемыми температурами плавления и с энтальпиями плавления и фазового перехода выше image024.

По результатам работы [2] рекомендуется смешивать н-алканы соседнего ряда, так как в этом случае разность температур их плавления будет наименьшей.

Например, смешением индивидуальных н-алканов С17Н36 с температурой плавления 21,70С и н-алкана С19Н40 с температурой плавления 32,00С в соотношении 73,2 : 26,8 можно получить теплоаккумулирующий материал с температурой плавления 250С.

В таблице 2 приведены данные по теплоаккумулирующим материалам, полученным смешением индивидуальных н-алканов [2].

Таблица 2. Состав и свойства теплоаккумулирующих материалов, полученных смешением индивидуальных н-алканов. [2]

№ п/п

Наименование ТАМ

н-алканы

Содержание

н-алканов,

% масс.

Температура плавления, 0С

н-алкана

ТАМ

1

ТАМ‑35

С18Н38

15,6

28,0

35,0

С20Н42

84,4

36,7

2

ТАМ ‑35

С19Н40

33,1

32,0

35,0

С20Н42

66,9

36,7

3

ТАМ ‑25

С17Н36

44,7

21,7

25,0

С18Н38

55,3

28,0

4

ТАМ ‑25

С17Н36

73,2

21,7

25,0

С19Н40

26,8

32,0

5

 

ТАМ ‑20

С16Н34

44,2

18,2

20,0

С17Н36

55,8

21,7

6

ТАМ ‑20

С16Н34

74,3

18,2

20,0

С18Н38

25,7

28,0

Данные таблицы 2 показывают, что смешением индивидуальных н-алканов в различных соотношениях можно получить теплоаккумулирующие материалы с температурами плавления в пределах температур эксплуатации.

В таблице 3 представлены составы и теплотехнические свойства термоаккумулирующих материалов с температурой плавления 250С, полученных смешением индивидуальных н-алканов, согласно результатам исследований [2].

Таблица 3. Состав и свойства термоаккумулирующих материалов с температурой плавления 250С, полученных смешением н-алканов.

№ п/п

Параметры

Единица измерения

н‑алканы в составе

С17Н36+С18Н38

С17Н36+С19Н40

1

С17Н36

масс. %

44,7

73,2

2

С18Н38

масс. %

55,3

-

3

С19Н40

масс. %

-

26,8

4

Температура плавления по Жукову, оС

25

25

5

Молекулярная масса

247,74

247,63

6

Энтальпия плавления

image025Дж/г

168,7

170,1

7

Энтальпия фазового перехода

image025Дж/г

25,7

24,8

8

Сумма энтальпий плавления и фазового перехода

image025Дж/г

194,4

194,9

Как видно из данных таблицы 3, двухкомпонентные теплоаккумулирующие материалы с температурой плавления 250С имеют не высокие суммы теплоты плавления и теплоты фазового перехода (от 194,4 до 194,9 Дж/г).

Смешение индивидуальных н-алканов при получении теплоаккумулирующих материалов между собой, приводит к снижению энтальпии плавления, фазового перехода в кристаллическом состоянии и их общей энтальпии.

Были исследованы также эксплуатационные свойства ТАМ (изменение объема и усадка ТАМ), полученных смешиванием индифидуальных н-алканов. Результаты исследования представлены в таблице 4.

Таблица 4. Данные по усадке разработанных ТАМ.

ТАМ

Температура

плавления, 0С

усадка по объему, %

при фазовом переходе

при

плавлении

сумма

ТАМ‑20

20

1,8

8,3

10,1

ТАМ‑25

25

1,35

8,1

9,45

ТАМ‑35

35

0,8

9,0

9,8

Данные таблицы 4 показывают, что усадка ТАМ полученных смешиванием алканов выше, чем у индивидуальных н-алканов, а усадка при фазовом переходе в 6 раз выше, чем при плавлении.

Исследования показали, что смешиванием индивидуальных н-алканов можно получить теплоаккумулирующий материал с температурой плавления до 250С, с необходимыми теплофизическими свойствами. Экспериментально установлены состав и теплофизические свойства разработанных ТАМ, а также способность поддерживать требуемые температуры и эксплуатационные качества.

Работа выполнена согласно договору на выполнение научно-исследовательских работ в рамках государственного заказа № 212-5 от 19 марта 2018 года по теме «Разработка и исследование теплоаккумулирующих материалов на основе товарных парафинов с заданными теплотехническими свойствами для ограждающих конструкций зданий».

Список литературы

  1. Левина Ю.С., Усачев С.М., Усачев А.М. Получение энергосберегающих строительных материалов на основе традиционного сырья и теплоаккумулирующих добавок // Международный научно-исследовательский журнал - Воронеж, 2018. -№4 (46) -С. 124-126
  2. Переверзев А.Н., Калиниченко А.Ю., Баташева А.А. Применение н-алканов в качестве ТАМ как экологически безопасного материала // Материалы VII региональной научно-технической конференции «Вузовская наука - Северо-Кавказскому региону». Естественные и точные науки, технические и прикладные науки. - Т.1. - Ставрополь: СевКавГТУ, 2003. - С. 110.
  3. Теплоаккумулирующие материалы на основе парафинов / Переверзев А.Н., Калиниченко А.Ю , Асадчий О Г. и др. // Материалы XXX научно-технической конференции по результатам работы профессорско-греподавательского состава, аспирантов и студентов СевКавГТУ за 1999 год - Ставрополь: СевКавГТУ, 2000. - С. 20.
  4. Диденко В. Н., Касимов Р. З., Попов Д. Н. Моделирование фазовых переходов в капсулированных теплоаккумулирующих материалах // Интеллектуальные системы в производстве. – 2013. – № 1 (21). – С. 13–17.
  5. В. Д. Александров, О. В. Соболь,О. В. Александрова, А. Ю. Соболев, Е. А. Покинтелица, Д. П. Лойко, Ш. К. Амерханова. Применение фазопереходных теплоаккумулирующих материалов в строительстве // Вестник Донбасской национальной академии строительства и архитектуры. Современные строительные материалы.- 2016. №1(117). – С. 5-13.
  6. Волшаник, В. В. Энергоэффективность стеновой панели сфазопереходным теплоаккумулирующим материалом [Текст] / В. В. Волшаник, Б. Д. Бабаев // Кровельные и изоляционные материалы. – 2012. – № 3. – С. 13–15.
  7. Марцинковский А.В. Физико-химические и технические проблемы аккумулирования тепла / Марцинковский А.В., Данилин В.Н., Доценко С.П., Шурай П.Е., Шабалина С.Г., Долесов А.Г., Боровская Л.В., Гнеушев М.Ю., Дегтярев А.И. – Физико-химический анализ свойств многокомпонентных систем, 2003. - № 1. – С.25 – 30.

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail