stringtranslate.com

Материал с фазовым переходом

Грелка с ацетатом натрия . Когда раствор ацетата натрия кристаллизуется, он становится теплым.
Видео, демонстрирующее «грелку» в действии
Видеоролик, демонстрирующий «грелку» с тепловизионной камерой

Материал с фазовым переходом ( PCM ) — это вещество, которое выделяет/поглощает достаточно энергии при фазовом переходе для обеспечения полезного тепла или охлаждения. Обычно переход происходит из одного из первых двух фундаментальных состояний вещества — твердого и жидкого — в другое. Фазовый переход может также происходить между неклассическими состояниями вещества, такими как соответствие кристаллов, когда материал переходит от соответствия одной кристаллической структуре к соответствию другой, которая может быть более высоким или более низким энергетическим состоянием.

Энергия, выделяемая/поглощаемая при фазовом переходе из твердого состояния в жидкое или наоборот, теплота плавления, как правило, намного выше, чем явное тепло . Например, для плавления льда требуется 333,55 Дж/г, но затем вода поднимется на один градус дальше при добавлении всего лишь 4,18 Дж/г. Поэтому вода/лед является очень полезным материалом для фазового перехода и использовалась для хранения зимнего холода для охлаждения зданий летом, по крайней мере, со времен империи Ахеменидов .

Плавясь и затвердевая при температуре фазового перехода (PCT), PCM способен хранить и выделять большие объемы энергии по сравнению с явным хранением тепла. Тепло поглощается или выделяется, когда материал переходит из твердого состояния в жидкое и наоборот или когда изменяется внутренняя структура материала; PCM соответственно называются материалами со скрытым хранением тепла (LHS).

Существует два основных класса материалов с фазовым переходом: органические (содержащие углерод) материалы, полученные либо из нефти, либо из растений или животных; и гидраты солей, которые обычно используют природные соли из моря или из минеральных отложений, либо являются побочными продуктами других процессов. Третий класс — это изменение фазы из твердого состояния в твердое.

PCM используются во многих коммерческих приложениях, где требуются хранение энергии и/или стабильная температура, включая, среди прочего, электрогрелки, охлаждение телефонных коммутационных коробок и одежду.

Самый большой потенциальный рынок — это отопление и охлаждение зданий. В этой области применения PCM имеют потенциал в свете постепенного снижения стоимости возобновляемой электроэнергии в сочетании с прерывистым характером такой электроэнергии. Это может привести к несоответствию между пиковым спросом и доступностью поставок. В Северной Америке, Китае, Японии, Австралии, Южной Европе и других развитых странах с жарким летом пик поставок приходится на полдень, а пик спроса — примерно с 17:00 до 20:00. [ требуется цитата ] Это создает возможности для теплоаккумулирующих сред.

Материалы с фазовым переходом «твердое тело-жидкость» обычно инкапсулируются для установки в конечном приложении, чтобы содержаться в жидком состоянии. В некоторых приложениях, особенно когда требуется включение в текстильные изделия, материалы с фазовым переходом микроинкапсулируются . Микроинкапсуляция позволяет материалу оставаться твердым в форме маленьких пузырьков, когда ядро ​​PCM расплавилось.

Характеристики и классификация

Скрытое хранение тепла может быть достигнуто посредством изменений в состоянии вещества от жидкого → твердого, твердого → жидкого, твердого → газа и жидкости → газа. Однако только изменения фазы твердое → жидкое и жидкость → твердое имеют практическое значение для PCM. Хотя переходы жидкость-газ имеют более высокую теплоту превращения, чем переходы твердое тело-жидкость, изменения фазы жидкость → газ непрактичны для хранения тепла, поскольку для хранения материалов в их газовой фазе требуются большие объемы или высокие давления. Изменения фазы твердое тело-твердое обычно происходят очень медленно и имеют относительно низкую теплоту превращения.

Первоначально твердо-жидкие PCM ведут себя как материалы для хранения явного тепла (SHS); их температура повышается по мере поглощения тепла. Когда PCM 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 накопленную скрытую теплоту. Большое количество PCM доступно в любом требуемом диапазоне температур от −5 до 190 °C. [1] В пределах комфортного для человека диапазона от 20 до 30 °C некоторые PCM очень эффективны, сохраняя более 200 кДж/кг скрытой теплоты, по сравнению с удельной теплоемкостью около одного кДж/(кг*°C) для кладки. Таким образом, плотность хранения может быть в 20 раз больше, чем у кладки на кг, если допускается колебание температуры на 10 °C. [2] Однако, поскольку масса кладки намного больше, чем у ПКМ, эта удельная (на массу) теплоемкость несколько компенсируется. Стена из кирпичной кладки может иметь массу 200 кг/м 2 , поэтому для удвоения теплоемкости потребуется дополнительно 10 кг/м 2 ПКМ.

Изображение 3 слоев ENRG Blanket, органического PCM, инкапсулированного в полиэтиленовую/фольгированную пленку.
[3] Пример органического биоматериала PCM в полиэтиленовой/фольгированной оболочке для долговечного применения в строительстве, где он способствует снижению энергопотребления в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха и повышению комфорта для жильцов.

Органические ПКМ

Углеводороды, в первую очередь 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 солевой гидрат PCM с зародышеобразующими и гелеобразующими агентами для долговременной термической стабильности и физической прочности термопластичной фольги макрокапсуляции. Применяется для пассивной температурной стабилизации, что приводит к энергосбережению в зданиях HVAC. [14]

Гигроскопичные материалы

Многие натуральные строительные материалы гигроскопичны, то есть они могут впитывать (вода конденсируется) и выделять воду (вода испаряется). Процесс происходит следующим образом:

Хотя этот процесс высвобождает небольшое количество энергии, большая площадь поверхности позволяет значительно (1–2 °C) нагревать или охлаждать здания. Соответствующие материалы — это шерстяная изоляция и отделочные покрытия из земли/глины.

Твердо-твердые PCM

Специализированная группа PCM, которые подвергаются фазовому переходу твердое тело/твердое тело с сопутствующим поглощением и выделением большого количества тепла. Эти материалы изменяют свою кристаллическую структуру из одной конфигурации решетки в другую при фиксированной и четко определенной температуре, и преобразование может включать скрытую теплоту, сопоставимую с наиболее эффективными PCM твердое тело/жидкость. Такие материалы полезны, потому что, в отличие от PCM твердое тело/жидкость, им не требуется зародышеобразование для предотвращения переохлаждения. Кроме того, поскольку это фазовый переход твердое тело/твердое тело, нет видимых изменений во внешнем виде PCM, и нет проблем, связанных с обращением с жидкостями, например, сдерживанием, потенциальной утечкой и т. д. В настоящее время температурный диапазон растворов PCM твердое тело-твердое тело составляет от -50 °C (-58 °F) до +175 °C (347 °F). [15] [16]

Критерии отбора

Материал с фазовым переходом должен обладать следующими термодинамическими свойствами: [17]

Кинетические свойства

Химические свойства

Экономические свойства

Теплофизические свойства

Ключевые теплофизические свойства материалов с фазовым переходом включают: Температура плавления (T m ) , Теплота плавления (Δ H fus ) , Удельная теплоемкость ( c p ) (твердой и жидкой фазы), Плотность (ρ) (твердой и жидкой фазы) и теплопроводность . Из них можно рассчитать такие значения, как изменение объема и объемная теплоемкость .

Технология, разработка и инкапсуляция

Наиболее часто используемые PCMs — это гидраты солей , жирные кислоты и эфиры , а также различные парафины (например, октадекан ). Недавно также были исследованы ионные жидкости в качестве новых PCMs.

Поскольку большинство органических растворов не содержат воды, они могут подвергаться воздействию воздуха, но все растворы PCM на основе солей должны быть инкапсулированы для предотвращения испарения или поглощения воды. Оба типа имеют определенные преимущества и недостатки, и если они применяются правильно, некоторые из недостатков становятся преимуществом для определенных приложений.

Они использовались с конца 19 века в качестве среды для приложений по хранению тепла . Они использовались в таких разнообразных приложениях, как рефрижераторный транспорт [18], для железнодорожных [19] и автомобильных приложений [20] , и поэтому их физические свойства хорошо известны.

Однако, в отличие от системы хранения льда, системы PCM могут использоваться с любым обычным водяным охладителем как для нового, так и для альтернативного модернизированного применения. Положительный температурный фазовый переход позволяет использовать центробежные и абсорбционные охладители, а также обычные поршневые и винтовые системы охладителей или даже более низкие условия окружающей среды, используя градирню или сухой охладитель для зарядки системы TES.

Диапазон температур, предлагаемый технологией PCM, открывает новые горизонты для инженеров по обслуживанию зданий и холодильной технике в отношении приложений хранения энергии средней и высокой температуры. Область применения этой тепловой энергии охватывает широкий спектр приложений хранения тепловой энергии в солнечном отоплении, горячем водоснабжении, отводе тепла (например, градирня) и схемах сухого охладителя.

Поскольку при термоциклировании ПКМ преобразуются из твердого состояния в жидкое, инкапсуляция [21] естественным образом стала очевидным выбором для хранения.

Поскольку материалы с фазовым переходом лучше всего работают в небольших контейнерах, их обычно разделяют на ячейки. Ячейки неглубокие, чтобы уменьшить статический напор — на основе принципа геометрии неглубокого контейнера. Упаковочный материал должен хорошо проводить тепло; и он должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать частые изменения объема материала для хранения при возникновении фазовых переходов. Он также должен ограничивать прохождение воды через стенки, чтобы материалы не высыхали (или не выпаривались, если материал гигроскопичен ). Упаковка также должна противостоять утечкам и коррозии . Обычные упаковочные материалы, демонстрирующие 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 PCM. Стоит отметить, что включение наночастиц изменит не только теплопроводность, характерную для PCM, но и другие характеристики, включая скрытую теплоемкость, переохлаждение, температуру фазового перехода и ее продолжительность, плотность и вязкость. Новая группа PCM называется NePCM. [22] NePCM могут быть добавлены к металлическим пенам для создания еще более высокотеплопроводной комбинации. [23]

Термические композиты

Термические композиты — это термин, используемый для обозначения комбинаций материалов с фазовым переходом (PCM) и других (обычно твердых) структур. Простым примером является медная сетка, погруженная в парафиновый воск. Медную сетку внутри парафинового воска можно считать композитным материалом, называемым термическим композитом. Такие гибридные материалы создаются для достижения определенных общих или объемных свойств (примером является инкапсуляция парафина в отдельные наносферы диоксида кремния для увеличения отношения площади поверхности к объему и, таким образом, более высоких скоростей теплопередачи [24] ).

Теплопроводность является общим свойством, которое нацелено на максимизацию путем создания термических композитов. В этом случае основная идея заключается в увеличении теплопроводности путем добавления высокопроводящего твердого вещества (например, медной сетки или графита [25] ) в относительно низкопроводящий PCM, тем самым увеличивая общую или объемную (тепловую) проводимость. [26] Если PCM должен течь, твердое вещество должно быть пористым, например, сеткой.

Твердые композиты, такие как стекловолокно или кевларовый препрег для аэрокосмической промышленности, обычно относятся к волокну (кевлар или стекло) и матрице (клей, который затвердевает, чтобы удерживать волокна и обеспечивать прочность на сжатие). Термический композит не так четко определен, но может также относиться к матрице (твердому телу) и PCM, который, конечно, обычно является жидким и/или твердым в зависимости от условий. Они также предназначены для обнаружения второстепенных элементов в земле.

Приложения

Области применения [1] [27] материалов с изменяемой фазой включают, но не ограничиваются:

Вопросы пожарной безопасности

Некоторые материалы с фазовым переходом взвешены в воде и относительно нетоксичны. Другие представляют собой углеводороды или другие легковоспламеняющиеся материалы или токсичны. Таким образом, PCM должны выбираться и применяться очень осторожно, в соответствии с пожарными и строительными нормами и разумной инженерной практикой. Из-за повышенного риска возгорания, распространения пламени, дыма, потенциального взрыва при хранении в контейнерах и ответственности, может быть разумно не использовать легковоспламеняющиеся PCM в жилых или других регулярно используемых зданиях. Материалы с фазовым переходом также используются в терморегулировании электроники.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ ab Кенисарин, М; Махкамов, К (2007). «Хранение солнечной энергии с использованием материалов с изменяемой фазой». Возобновляемые и устойчивые технологии –1965 . 11 (9): 1913–1965. doi :10.1016/j.rser.2006.05.005.
  2. ^ Шарма, Атул; Тьяги, ВВ; Чен, К.Р.; Буддхи, Д. (2009). «Обзор хранения тепловой энергии с использованием материалов с фазовым переходом и их применение». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 13 (2): 318–345. doi :10.1016/j.rser.2007.10.005.
  3. ^ "ENRG Blanket powered by BioPCM". Phase Change Energy Solutions . Получено 12 марта 2018 г.
  4. ^ "Системы хранения тепла" Архивировано 29 июня 2020 г. на Wayback Machine (PDF) Мэри Энн Уайт, приводит список преимуществ и недостатков парафинового хранения тепла. Более полный список можно найти в AccessScience из McGraw-Hill Education, DOI 10.1036/1097-8542.YB020415, последнее изменение: 25 марта 2002 г. на основе 'Скрытое хранение тепла в бетоне II, Материалы солнечной энергии, Хоус Д. В., Бану Д., Фельдман Д., 1990, 21, стр. 61–80.
  5. ^ Флорос, Майкл С.; Каллер, Кайден Л.С.; Пупалам, Кошила Д.; Нарине, Суреш С. (2016-12-01). «Материалы с изменяемой фазой на основе липидного диамида для хранения тепловой энергии при высоких температурах». Солнечная энергия . 139 : 23–28. Bibcode : 2016SoEn..139...23F. doi : 10.1016/j.solener.2016.09.032.
  6. ^ Агиеним, Фрэнсис; Имс, Филипп; Смит, Мервин (01.01.2011). «Экспериментальное исследование поведения при плавлении и затвердевании системы хранения фазового перехода средней температуры (эритрит), дополненной ребрами для питания абсорбционной охлаждающей системы LiBr/H2O». Возобновляемая энергия . 36 (1): 108–117. doi :10.1016/j.renene.2010.06.005.
  7. ^ Fleishcher, AS (2014). «Улучшенное восстановление тепла из материалов с фазовым переходом на основе парафина благодаря присутствию просачивающихся графеновых сетей». Улучшенное восстановление тепла из материалов с фазовым переходом на основе парафина благодаря присутствию просачивающихся графеновых сетей . 79 : 324–333.
  8. ^ (2015). Хранение тепловой энергии с использованием материалов с изменяемой фазой: основы и применение. Springer
  9. ^ "Решения по энергетике с изменением фазы" . Получено 28 февраля 2018 г.
  10. ^ Кантор, С. (1978). «ДСК-исследование плавления и затвердевания гидратов солей». Thermochimica Acta . 26 (1–3): 39–47. doi :10.1016/0040-6031(78)80055-0.
  11. ^ Оле, А.; Миро, Л.; Барренече, 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. ^ A. Sharma; V. Tyagi; C. Chen; D. Buddhi (февраль 2009 г.). «Обзор хранения тепловой энергии с использованием материалов с изменяемой фазой и их применения». Renewable and Sustainable Energy Reviews . 13 (2): 318–345. doi :10.1016/j.rser.2007.10.005.
  13. ^ Шарма, Сомесхауэр Датт; Китано, Хироаки; Сагара, Казунобу (2004). «Материалы с изменяемой фазой для низкотемпературных солнечных тепловых применений» (PDF) . Res. Rep. Fac. Eng. Mie Univ . 29 : 31–64. S2CID  17528226. Архивировано из оригинала (PDF) 2020-06-27.
  14. ^ "Infinite R". Insolcorp, Inc. Получено 01.03.2017 .
  15. ^ "Phase Change Energy Solutions PhaseStor". Phase Change Energy Solutions . Получено 28 февраля 2018 г.
  16. ^ "Вебинар - Материалы с изменяемой фазой для декарбонизации". Страницы модуля GZ . Получено 2024-09-10 .
  17. ^ Pasupathy, A; Velraj, R; Seeniraj, R (2008). «Архитектура зданий на основе фазовых переходов для управления температурным режимом в жилых и коммерческих помещениях». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 12 : 39–64. doi :10.1016/j.rser.2006.05.010.
  18. ^ Фредерик Тюдор, Ледяной король, о ледовом транспорте в 19 веке.
  19. ^ Паровоз Ричарда Тревитика работал в 1804 году.
  20. ^ Амеде Болле создавала паровые автомобили начиная с 1873 года.
  21. ^ Tyagi, Vineet Veer; Buddhi, D. (2007). «PCM-аккумулирование тепла в зданиях: современное состояние». Renewable and Sustainable Energy Reviews . 11 (6): 1146–1166. doi :10.1016/j.rser.2005.10.002.
  22. ^ Ходадади, Дж. М.; Хоссейнизаде, С. Ф. (2007-05-01). «Материалы с измененной фазой, усиленные наночастицами (NEPCM), с большим потенциалом для улучшенного хранения тепловой энергии». Международные коммуникации по тепло- и массообмену . 34 (5): 534–543. doi :10.1016/j.icheatmasstransfer.2007.02.005. ISSN  0735-1933.
  23. ^ Samimi Behbahan, Amin; Noghrehabadi, Aminreza; Wong, CP; Pop, Ioan; Behbahani-Nejad, Morteza (2019-01-01). "Исследование эффектов соотношения сторон корпуса на характеристики теплопередачи при плавлении композитов из металлической пены/материалов с изменением фазы". International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow . 29 (9): 2994–3011. doi :10.1108/HFF-11-2018-0659. ISSN  0961-5539. S2CID  198459648.
  24. ^ Белессиотис, Джордж; Пападокостаки, Кириаки; Фаввас, Евангелос; Эфтимиаду, Элени; Кареллас, Сотириос (2018). «Подготовка и исследование отдельных и стабильных по форме композитных наносфер PCM парафин/SiO2». Преобразование энергии и управление . 168 : 382–394. doi :10.1016/j.enconman.2018.04.059. S2CID  102779105.
  25. ^ Горбачева, Светлана Н.; Макарова, Вероника В.; Ильин, Сергей О. (апрель 2021 г.). «Гидрофобные нанокремнеземные стабилизированные графитовые частицы для улучшения теплопроводности материалов с изменяющимися фазами на основе парафина». Журнал хранения энергии . 36 : 102417. doi : 10.1016/j.est.2021.102417. S2CID  233608864.
  26. ^ Макарова, В.В.; Горбачева, СН; Антонов, СВ; Ильин, СО (декабрь 2020 г.). «О возможности радикального повышения теплопроводности дисперсными частицами». Журнал прикладной химии . 93 (12): 1796–1814. doi :10.1134/S1070427220120022. ISSN  1070-4272. S2CID  232061261.
  27. ^ Омер, А (2008). «Возобновляемые системы энергоснабжения зданий и пассивные решения для комфорта человека». Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 12 (6): 1562–1587. doi :10.1016/j.rser.2006.07.010.
  28. ^ Чаттерджи, Рукмава; Бейсенс, Дэниел; Ананд, Сушант (2019). «Задержка образования льда и инея с помощью фазопереключающих жидкостей». Advanced Materials . 31 (17): 1807812. Bibcode : 2019AdM....3107812C. doi : 10.1002/adma.201807812. ISSN  1521-4095. PMID  30873685.
  29. ^ Аравинд, Индулекха; Кумар, К. П. Нараяна (2015-08-02). «Как две недорогие инновации, сделанные в Индии, MiraCradle и Embrace Nest, помогают спасать жизни новорожденных». timesofindia-economictimes .
  30. ^ "MiraCradle - Охладитель для новорожденных". miracradle.com .

Источники

Дальнейшее чтение