УДК 621.56
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