stringtranslate.com

Материал с фазовым переходом

Грелка из ацетата натрия . Когда раствор ацетата натрия кристаллизуется, он становится теплым.
Видео, показывающее «грелку» в действии
Видео, показывающее «грелку» с тепловизионной камерой.

Материал с фазовым переходом ( PCM ) — это вещество, которое выделяет/поглощает достаточно энергии при фазовом переходе , чтобы обеспечить полезное тепло или охлаждение. Обычно переход будет происходить от одного из двух первых фундаментальных состояний материи — твердого и жидкого — к другому. Фазовый переход может также происходить между неклассическими состояниями материи, такими как соответствие кристаллов, когда материал переходит от соответствия одной кристаллической структуре к другому, которое может быть более высоким или более низким энергетическим состоянием.

Энергия, выделяемая/поглощаемая при фазовом переходе из твердого тела в жидкость или наоборот, теплота плавления, как правило, намного превышает явную теплоту . Для таяния льда, например, требуется 333,55 Дж/г, но затем вода поднимется еще на один градус при добавлении всего лишь 4,18 Дж/г. Таким образом, вода/лед является очень полезным материалом с фазовым переходом и использовалась для хранения зимнего холода для охлаждения зданий летом, по крайней мере, со времен Империи Ахеменидов .

Путем плавления и затвердевания при температуре фазового перехода (PCT) PCM способен хранить и выделять большое количество энергии по сравнению с физическим хранением тепла . Тепло поглощается или выделяется, когда материал переходит из твердого состояния в жидкое и наоборот или когда изменяется внутренняя структура материала; Соответственно, PCM называются материалами, аккумулирующими скрытую теплоту (LHS).

Существует два основных класса материалов с фазовым переходом: органические (углеродсодержащие) материалы, полученные из нефти, растений или животных; и гидраты солей, которые обычно либо используют природные соли из моря или минеральных месторождений, либо являются побочными продуктами других процессов. Третий класс — фазовый переход от твердого к твердому.

PCM используются во многих различных коммерческих приложениях, где требуется накопление энергии и/или стабильная температура, включая, среди прочего, грелки, охлаждение телефонных коммутационных коробок и одежду.

Безусловно, самый большой потенциальный рынок – это отопление и охлаждение зданий. В этой области применения PCM обладают потенциалом в свете постепенного снижения стоимости возобновляемой электроэнергии в сочетании с прерывистым характером такой электроэнергии. Это может привести к несоответствию между пиковым спросом и наличием предложения. В Северной Америке, Китае, Японии, Австралии, Южной Европе и других развитых странах с жарким летом пик предложения приходится на полдень, а пик спроса — примерно с 17:00 до 20:00. Это открывает возможности для тепловых носителей информации.

Твердо-жидкие материалы с фазовым переходом обычно инкапсулируются для установки в конечном приложении, чтобы содержаться в жидком состоянии. В некоторых случаях, особенно когда требуется добавление в текстильные изделия, материалы с фазовым переходом микроинкапсулируются . Микроинкапсуляция позволяет материалу оставаться твердым в виде небольших пузырьков, когда ядро ​​ПКМ плавится.

Характеристики и классификация

Хранение скрытой теплоты может быть достигнуто за счет изменения состояния вещества : жидкость → твердое, твердое → жидкость, твердое → газ и жидкость → газ. Однако для ПКМ практичны только фазовые переходы твердое → жидкость и жидкость → твердое. Хотя переходы жидкость-газ имеют более высокую теплоту превращения, чем переходы твердое тело-жидкость, фазовые переходы жидкость → газ непрактичны для хранения тепла, поскольку для хранения материалов в газовой фазе требуются большие объемы или высокое давление. Переходы между твердыми фазами обычно происходят очень медленно и имеют относительно низкую теплоту превращения.

Первоначально твердо-жидкие ПКМ ведут себя как материалы с явным накоплением тепла (SHS); их температура повышается по мере поглощения тепла. Однако, в отличие от обычных материалов СВС, когда ПКМ достигают температуры фазового перехода (точки плавления), они поглощают большое количество тепла при почти постоянной температуре, пока весь материал не расплавится. Когда температура окружающей среды вокруг жидкого материала падает, PCM затвердевает, высвобождая накопленное скрытое тепло. В наличии имеется большое количество ПКМ в любом требуемом диапазоне температур от −5 до 190 °C. [1] В диапазоне комфортных для человека температур от 20 до 30 °C некоторые PCM очень эффективны, сохраняя более 200 кДж/кг скрытого тепла, тогда как удельная теплоемкость каменной кладки составляет около одного кДж/(кг*°C). . Таким образом, плотность хранения может быть в 20 раз выше, чем у кирпичной кладки на кг, если допускается колебание температуры в 10 °C. [2] Однако, поскольку масса каменной кладки намного выше, чем у PCM, эта удельная (на массу) теплоемкость несколько компенсируется. Каменная стена может иметь массу 200 кг/м 2 , поэтому для удвоения теплоемкости потребуется дополнительно 10 кг/м 2 ПКМ.

Изображение трех слоев ENRG Blanket, органического PCM, инкапсулированного в поли/фольгированную пленку.
[3] Пример органического PCM на биологической основе в инкапсуляции из поли/фольги для обеспечения долговечности в строительстве, где он снижает потребление энергии в системах отопления, вентиляции и кондиционирования и повышает комфорт жильцов.

Органические ПКМ

Углеводороды, прежде всего парафины (C n H 2 n +2 ) и липиды, а также сахарные спирты. [4] [5] [6]

Неорганический

Гидраты солей (M x N y · n H 2 O) [9]

Лист бесконечной энергии R
Пример: эвтектический гидрат соли PCM с зародышеобразователями и гелеобразователями для долгосрочной термостабильности и физической прочности макроинкапсуляции термопластической фольги. Применяется для пассивной стабилизации температуры, что приводит к энергосбережению зданий, систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. [14]

Гигроскопичные материалы

Многие природные строительные материалы гигроскопичны, то есть могут впитывать (вода конденсируется) и выделять воду (вода испаряется). Процесс таков:

Хотя этот процесс высвобождает небольшое количество энергии, большая площадь поверхностей обеспечивает значительный (1–2 °C) нагрев или охлаждение зданий. Соответствующими материалами являются шерстяная изоляция и земляно-глиняная штукатурка.

Твердые-твердые ПКМ

Специализированная группа ПКМ, которые претерпевают фазовый переход твердое/твердое тело с соответствующим поглощением и выделением большого количества тепла. Эти материалы меняют свою кристаллическую структуру из одной конфигурации решетки в другую при фиксированной и четко определенной температуре, и преобразование может включать скрытую теплоту, сравнимую с наиболее эффективными твердо-жидкими ПКМ. Такие материалы полезны, потому что, в отличие от твердых/жидких ПКМ, они не требуют зародышеобразования для предотвращения переохлаждения. Кроме того, поскольку это фазовый переход твердое/твердое, видимых изменений во внешнем виде PCM не происходит, и нет проблем, связанных с обращением с жидкостями, например, удержанием, потенциальной утечкой и т. д. В настоящее время температурный диапазон твердого-твердого Решения PCM охватывают диапазон от -50 °C (-58 °F) до +175 °C (347 °F). [15]

Критерий выбора

Материал с фазовым переходом должен обладать следующими термодинамическими свойствами: [16]

Кинетические свойства

Химические свойства

Экономические свойства

Теплофизические свойства

Ключевые теплофизические свойства материалов с фазовым переходом включают: температуру плавления (T m ) , теплоту плавления (Δ H fus ) , удельную теплоемкость ( c p ) (твердой и жидкой фазы), плотность (ρ) (твердой и жидкой фазы ). ) и теплопроводность . Отсюда можно рассчитать такие значения, как изменение объема и объемную теплоемкость .

Технологии, разработка и инкапсуляция

Наиболее часто используемые PCM — это гидраты солей , жирные кислоты и сложные эфиры , а также различные парафины (например, октадекан ). Недавно ионные жидкости были также исследованы как новые ПКМ.

Поскольку большинство органических растворов не содержат воды, они могут подвергаться воздействию воздуха, но все растворы PCM на основе солей должны быть инкапсулированы, чтобы предотвратить испарение или поглощение воды. Оба типа имеют определенные преимущества и недостатки, и при их правильном применении некоторые недостатки становятся преимуществами для определенных приложений.

Они использовались с конца 19 века в качестве носителя тепла . Они использовались в таких разнообразных областях применения, как рефрижераторные перевозки [17], железнодорожные [18] и автомобильные перевозки [19] , поэтому их физические свойства хорошо известны.

Однако, в отличие от системы хранения льда, системы PCM могут использоваться с любым обычным водоохладителем как для нового, так и для модернизации. Положительный фазовый переход температуры позволяет использовать центробежные и абсорбционные охладители, а также традиционные системы поршневых и винтовых охладителей или даже более низкие условия окружающей среды, используя градирню или сухой охладитель для загрузки системы TES.

Температурный диапазон, предлагаемый технологией PCM, открывает новые горизонты для инженеров по обслуживанию зданий и инженеров по холодильному оборудованию в области средне- и высокотемпературных систем хранения энергии. Область применения этой тепловой энергии включает широкий спектр приложений для солнечного отопления, горячего водоснабжения, отвода тепла (например, градирни) и хранения тепловой энергии в схемах сухих охладителей.

Поскольку ПКМ трансформируются из твердого состояния в жидкость при термоциклировании, инкапсуляция [20] естественно стала очевидным выбором для хранения.

Поскольку материалы с фазовым переходом лучше всего работают в небольших контейнерах, поэтому их обычно разделяют на ячейки. Ячейки неглубокие, чтобы уменьшить статический напор, что основано на принципе мелкой геометрии контейнера. Упаковочный материал должен хорошо проводить тепло; и он должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать частые изменения объема хранимого материала при возникновении фазовых изменений. Также следует ограничить прохождение воды через стены, чтобы материалы не высыхали (или не высыхали, если материал гигроскопичен ). Упаковка также должна быть устойчива к утечкам и коррозии . Обычные упаковочные материалы, показывающие химическую совместимость с PCM при комнатной температуре, включают нержавеющую сталь , полипропилен и полиолефин .

Наночастицы , такие как углеродные нанотрубки, графит, графен, металл и оксид металла, могут быть диспергированы в ПКМ. Стоит отметить, что включение наночастиц изменит не только характеристики теплопроводности ПКМ, но и другие характеристики, включая скрытую теплоемкость, переохлаждение, температуру фазового перехода и его продолжительность, плотность и вязкость. Новая группа PCM получила название NePCM. [21] NePCM можно добавлять к металлическим пенопластам для создания комбинации с еще более высокой теплопроводностью. [22]

Термальные композиты

Термические композиты — это термин, обозначающий комбинации материалов с фазовым переходом (PCM) и других (обычно твердых) структур. Простой пример – медная сетка, погруженная в парафин. Медную сетку внутри парафина можно рассматривать как композитный материал, получивший название термокомпозит. Такие гибридные материалы создаются для достижения определенных общих или объемных свойств (примером является инкапсулирование парафина в отдельные наносферы диоксида кремния для увеличения соотношения площади поверхности к объему и, следовательно, более высоких скоростей теплопередачи [23] ).

Теплопроводность — это общее свойство, которое стремятся максимизировать путем создания термокомпозитов. В этом случае основная идея состоит в том, чтобы увеличить теплопроводность путем добавления твердого тела с высокой проводимостью (например, медной сетки или графита [24] ) в относительно малопроводящий ПКМ, увеличивая тем самым общую или объемную (тепловую) проводимость. [25] Если PCM должен течь, твердое вещество должно быть пористым, например, сетка.

Твердые композиты, такие как препрег из стекловолокна или кевлара для аэрокосмической промышленности, обычно состоят из волокна (кевлара или стекла) и матрицы (клея, который затвердевает, удерживая волокна и обеспечивая прочность на сжатие). Термический композит не имеет такого четкого определения, но может аналогичным образом относиться к матрице (твердой) и ПКМ, который, конечно, обычно бывает жидким и/или твердым в зависимости от условий. Они также предназначены для обнаружения второстепенных элементов в земле.

Приложения

Области применения [1] [26] материалов с фазовым переходом включают, помимо прочего:

Вопросы пожарной безопасности и безопасности

Некоторые материалы с фазовым переходом суспендированы в воде и относительно нетоксичны. Другие представляют собой углеводороды или другие легковоспламеняющиеся материалы или токсичны. Таким образом, PCM должны выбираться и применяться очень тщательно, в соответствии с пожарными и строительными нормами и разумными инженерными практиками. Из-за повышенного риска пожара, распространения пламени, задымления, возможности взрыва при хранении в контейнерах и ответственности, возможно, будет разумно не использовать легковоспламеняющиеся PCM в жилых или других зданиях, в которых постоянно проживают люди. Материалы с фазовым переходом также используются в терморегуляции электроники.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ аб Кенисарин, М; Махкамов, К (2007). «Хранение солнечной энергии с использованием материалов с фазовым переходом». Возобновляемые и устойчивые источники энергии – 1965 г. 11 (9): 1913–1965. doi :10.1016/j.rser.2006.05.005.
  2. ^ Шарма, Атул; Тяги, В.В.; Чен, ЧР; Буддхи, Д. (2009). «Обзор хранения тепловой энергии с использованием материалов и приложений с фазовым переходом». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 13 (2): 318–345. дои : 10.1016/j.rser.2007.10.005.
  3. ^ "Одеяло ENRG на базе BioPCM" . Энергетические решения с фазовым переходом . Проверено 12 марта 2018 г.
  4. ^ «Системы аккумулирования тепла». Архивировано 29 июня 2020 г. в Wayback Machine (PDF) Мэри Энн Уайт. В нем приведен список преимуществ и недостатков парафинового аккумулирования тепла. Более полный список можно найти в AccessScience от McGraw-Hill Education, DOI 10.1036/1097-8542.YB020415, последнее изменение: 25 марта 2002 г., на основе «Скрытое сохранение тепла в бетоне II, Материалы для солнечной энергии», Hawes DW, Banu D. , Фельдман Д., 1990, 21, стр. 61–80.
  5. ^ Флорос, Майкл С.; Каллер, Кайден LC; Пупалам, Кошила Д.; Наринэ, Суреш С. (01 декабря 2016 г.). «Диамидные материалы с фазовым переходом на основе липидов для хранения высокотемпературной тепловой энергии». Солнечная энергия . 139 : 23–28. Бибкод : 2016SoEn..139...23F. doi :10.1016/j.solener.2016.09.032.
  6. ^ Адьеним, Фрэнсис; Имс, Филип; Смит, Мервин (1 января 2011 г.). «Экспериментальное исследование поведения плавления и затвердевания среднетемпературной системы хранения материала с фазовым переходом (эритрит), дополненной ребрами для питания системы абсорбционного охлаждения LiBr / H2O». Возобновляемая энергия . 36 (1): 108–117. doi :10.1016/j.renene.2010.06.005.
  7. ^ Флейшер, А.С. (2014). «Улучшенная рекуперация тепла из материалов с фазовым переходом на основе парафина благодаря наличию просачивающихся графеновых сеток». Улучшенная рекуперация тепла из материалов с фазовым переходом на основе парафина благодаря наличию перколяционных графеновых сеток . 79 : 324–333.
  8. ^ (2015). Хранение тепловой энергии с использованием материалов с фазовым переходом: основы и применение. Спрингер
  9. ^ «Энергетические решения с фазовым изменением» . Проверено 28 февраля 2018 г.
  10. ^ Кантор, С. (1978). «ДСК-исследование плавления и затвердевания гидратов солей». Термохимика Акта . 26 (1–3): 39–47. дои : 10.1016/0040-6031(78)80055-0.
  11. ^ оле, А.; Миро, Л.; Барренеш, К.; Марторелл, И.; Кабеса, Л.Ф. (2015). «Коррозия металлов и гидратов солей, используемых для термохимического хранения энергии». Возобновляемая энергия . 75 : 519–523. doi : 10.1016/j.renene.2014.09.059.[ постоянная мертвая ссылка ]
  12. ^ А. Шарма; В. Тяги; К. Чен; Д. Буддхи (февраль 2009 г.). «Обзор хранения тепловой энергии с использованием материалов и приложений с фазовым переходом». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 13 (2): 318–345. дои : 10.1016/j.rser.2007.10.005.
  13. ^ Шарма, Someshower Датт; Китано, Хироаки; Сагара, Казунобу (2004). «Материалы с фазовым переходом для низкотемпературных солнечных тепловых установок» (PDF) . Рез. Представитель Факт. англ. Мой университет . 29 : 31–64. S2CID  17528226. Архивировано из оригинала (PDF) 27 июня 2020 г.
  14. ^ "Бесконечный R". Инсолкорп, Инк . Проверено 01 марта 2017 г.
  15. ^ «Энергетические решения фазового изменения PhaseStor» . Энергетические решения с фазовым переходом . Проверено 28 февраля 2018 г.
  16. ^ Пасупатия, А; Велрай, Р; Синирадж, Р. (2008). «Поэтапное изменение архитектуры зданий на основе материалов для управления температурным режимом в жилых и коммерческих учреждениях». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 12 : 39–64. дои : 10.1016/j.rser.2006.05.010.
  17. ^ Фредерик Тюдор, Ледяной король, на ледяном транспорте в XIX веке.
  18. ^ Паровоз Ричарда Тревитика работал в 1804 году.
  19. ^ Амеде Болле создавала паровые автомобили начиная с 1873 года.
  20. ^ Тьяги, Винет Вир; Буддхи, Д. (2007). «Аккумулирование тепла PCM в зданиях: современное состояние». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 11 (6): 1146–1166. дои : 10.1016/j.rser.2005.10.002.
  21. ^ Ходадади, Дж. М.; Хоссейнизаде, Сан-Франциско (1 мая 2007 г.). «Материалы с фазовым переходом с наночастицами (NEPCM) с большим потенциалом для улучшения хранения тепловой энергии». Международные сообщения в области тепломассообмена . 34 (5): 534–543. doi :10.1016/j.icheatmasstransfer.2007.02.005. ISSN  0735-1933.
  22. ^ Самими Бехбахан, Амин; Ногрехабади, Аминреза; Вонг, КП; Поп, Иоан; Бехбахани-Нежад, Мортеза (01 января 2019 г.). «Исследование влияния соотношения сторон корпуса на характеристики теплопередачи при плавлении композитов из металлической пены и материалов с фазовым переходом». Международный журнал численных методов измерения потоков тепла и жидкости . 29 (9): 2994–3011. doi : 10.1108/HFF-11-2018-0659. ISSN  0961-5539. S2CID  198459648.
  23. ^ Белессиотис, Джордж; Пападокостаки, Кириаки; Фаввас, Евангелос; Эфтимиаду, Элени; Кареллас, Сотириос (2018). «Получение и исследование различных и стабильных по форме композитных наносфер ПКМ парафин/SiO2». Преобразование энергии и управление . 168 : 382–394. doi :10.1016/j.enconman.2018.04.059. S2CID  102779105.
  24. ^ Горбачева, Светлана Н.; Макарова Вероника Викторовна; Ильин, Сергей О. (апрель 2021 г.). «Гидрофобные частицы графита, стабилизированные нанокремнеземом, для улучшения теплопроводности материалов с фазовым переходом на основе парафина». Журнал хранения энергии . 36 : 102417. doi : 10.1016/j.est.2021.102417. S2CID  233608864.
  25. ^ Макарова, В.В.; Горбачева С.Н.; Антонов С.В.; Ильин С.О. (декабрь 2020 г.). «О возможности радикального увеличения теплопроводности дисперсными частицами». Российский журнал прикладной химии . 93 (12): 1796–1814. дои : 10.1134/S1070427220120022. ISSN  1070-4272. S2CID  232061261.
  26. ^ Омер, А (2008). «Возобновляемые энергетические системы зданий и решения для пассивного комфорта человека». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 12 (6): 1562–1587. дои : 10.1016/j.rser.2006.07.010.
  27. ^ Чаттерджи, Рукмава; Бейсенс, Дэниел; Ананд, Сушант (2019). «Задержка образования льда и инея с помощью жидкостей с фазовым переключением». Передовые материалы . 31 (17): 1807812. Бибкод : 2019AdM....3107812C. дои : 10.1002/adma.201807812. ISSN  1521-4095. ПМИД  30873685.
  28. ^ Аравинд, Индулекха; Кумар, К.П. Нараяна (2 августа 2015 г.). «Как две недорогие инновации, сделанные в Индии, MiraCradle и Embrace Nest помогают спасти жизни новорожденных». Timesofindia- EconomicTimes .
  29. ^ "MiraCradle - охладитель для новорожденных" . miracradle.com .

Источники

дальнейшее чтение