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 , суммарной теплотой плавления и фазового перехода и жидкий парафин с температурой плавления , содержащий н-алканы от до с суммарной энтальпией плавления и фазового перехода на уровне , в том числе, энтальпией плавления и фазового перехода - .

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 .

 

н-алкан	Молекулярная масса	Температура, 0С		Суммарная теплота плавления и фазового перехода, Дж/г	Плотность в жидком состоянии, кг/м3
		Плавления	Фазового перехода
	198,2	5,9	-	205,2	712,7
	212,4	9,9	-2,3	206,8	719,2
	226,4	18,2	16,2	212,7	725,0
	240,5	21,7	10,5	212,7	730,0
	254,5	28,0	27,3	214,4	734,0
	268,5	32,0	22,8	214,4	739,0
	282,5	36,7	36,2	218,1	738,0
	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: в качестве теплоаккумулирующих материалов с температурой плавления , с температурой плавления , в качестве теплоаккумулирующих материалов с температурой плавления .

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 для четных н-алканов и для 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 .

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	0С	25	25
5	Молекулярная масса	‑	247,74	247,63
6	Энтальпия плавления	Дж/г	168,7	170,1
7	Энтальпия фазового перехода	Дж/г	25,7	24,8
8	Сумма энтальпий плавления и фазового перехода	Дж/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