Теплоемкость парафина: Парафин — ТеплоВики — энциклопедия отопления

• 1 кДж / (кг К) = 1000 Дж / (кг ^o C) = 0,2389 ккал / (кг ^o C) = 0,2389 БТЕ / (фунт _м ^o F )
• T ( ^o C) = 5/9 [T ( ^o F) — 32]

Для преобразования единиц используйте онлайн-конвертер удельной теплоемкости.

См. Также табличные значения удельной теплоемкости газов, продуктов питания и пищевых продуктов, металлов и полуметаллов, обычных твердых веществ и других общих веществ.

Энергия нагрева

Энергия, необходимая для нагрева продукта, может быть рассчитана как

q = c _p m dt (1)

, где

q = необходимое тепло (кДж)

c _p = удельная теплоемкость (кДж / кг K, кДж / кг ^o C)

dt = перепад температур (K, ^o C)

Пример — Требуемое тепло для повышения температуры i Вода

10 кг воды нагревают с 20 ^o C до 100 ^o C — разница температур 80 ^o C (K) .Требуемое тепло можно рассчитать как

q = (4,19 кДж / кг К) ( 10 кг ) (80 ^o C)

= 3352 кДж

Парафин как материал с изменением фазы

Должны быть предприняты меры для того, чтобы твердо-жидкие PCM могли использоваться. Для этого существует несколько методов стабилизации формы парафиновых ПКМ. Два основных метода из них обсуждаются ниже.

4.1 Инкапсуляция PPCM

Инкапсуляция, как правило, является достойным методом защиты и предотвращения утечки PCM в жидком состоянии. Капсулы состоят из двух частей: оболочки и ядра. Основная часть содержит РСМ, тогда как часть оболочки обычно состоит из полимерных материалов с улучшенными механическими и термическими свойствами.Оболочка играет роль защиты, передачи тепла, а иногда и предотвращения выброса токсичных материалов в окружающую среду. В этих случаях оболочка должна иметь соответствующую теплопроводность. Полимерные оболочки также обычно используются при инкапсуляции PPCM. Выбор основной части зависит от области ее применения. Инкапсуляция PPCMs делится на три основные части: объемная или макроинкапсуляция, микроинкапсуляция и нанокапсуляция.

Макроинкапсуляция является одним из самых простых способов инкапсулирования парафинов.Этот метод имеет более низкую стоимость, чем другие методы. Эти продукты используются в транспорте, зданиях, системах хранения солнечной энергии и теплообменниках. Иногда металлы также используются в качестве материалов оболочки [30].

Чтобы повысить эффективность теплопередачи в капсулах этих типов, следует выбирать либо размер капсул, либо подходящие модификаторы. Как правило, чем меньше диаметр сферических капсул или цилиндров, тем лучше теплопередача.В некоторых случаях металлические пены используются для улучшения теплоотдачи парафина. Алюминий и медь с открытыми порами являются одними из наиболее изученных, тогда как в других случаях используются оксиды металлов, металлы и графит [30, 31].

Существуют различные формы макроинкапсулирования, такие как шариковая форма, сферическая форма, цилиндрические, плоские листы, трубчатые и т. Д. [31]. Цилиндрические трубки — одна из известных форм макроинкапсулированных PPCM. Этот тип герметизации чаще всего используется в зданиях или в системах хранения солнечной энергии.

Большая часть исследований, проведенных на макроинкапсулированных PPCM, была сосредоточена на улучшении их теплопроводности. В одном из этих исследований для улучшения теплопроводности парафина использовались различные наночастицы оксида металла, такие как оксид алюминия, оксид титана, оксид кремния и оксид цинка. Результаты показывают, что оксид титана работает лучше в тех же условиях, что и другие оксиды [32]. В аналогичном исследовании наночастицы оксида меди были использованы для улучшения теплопроводности и производительности парафина в системах накопления солнечной энергии [33].В некоторых исследованиях графитовые чешуйки и расширенный графит также использовались в качестве улучшающего теплопроводность агента [31].

Hong et al. использовали полиэтилентерефталатные трубы в качестве оболочки для парафина. В этой макроинкапсулированной системе, представленной в виде цилиндрических модулей, в парафин добавлен флоат-камень в качестве усилителя теплопроводности. В данной работе исследуется влияние различных параметров, таких как диаметр трубы, на теплопередачу, и результаты экспериментального разреза сравниваются с моделированием [34].

Д.Этансова и соавт. изучал численные расчеты и моделирование теплопередачи встроенных в парафин макроинкапсулированных материалов из нержавеющей стали для использования в системах хранения солнечной энергии. В данной работе было исследовано влияние геометрических размеров и формы на теплообмен [35].

Микрокапсулирование из PCM — еще один подходящий способ повысить эффективность и увеличить теплопроводность. Размер микрокапсул обычно составляет от 1 мкм до 1 мм. Микрокапсулирование парафинов является относительно сложным процессом, но он работает лучше, чем макроинкапсулирование.Это связано с увеличением площади контактной поверхности, сокращением времени разряда и загрузки и улучшенной теплопроводностью. Различные материалы используются для части оболочки микрокапсулирования.

В целом, существует два основных физико-химических метода для микрокапсулирования. Наиболее важными физическими методами являются псевдоожиженный слой, распылительная сушилка, центрифужный экструдер и аналогичные процессы. Однако химические методы часто основаны на полимеризации. Наиболее важные методы включают суспензионную и эмульсионную полимеризацию in situ, межфазную конденсационную полимеризацию и золь-гель метод.Последний иногда называют физико-химическим методом [12, 29].

В способе суспензионной или эмульсионной полимеризации нерастворимый парафин сначала эмульгируют или суспендируют в полярной среде, которая является преимущественно водной фазой, посредством высокоскоростного перемешивания. Поверхностно-активные вещества используются для стабилизации частиц. Затем к среде добавляют липофильные мономеры и готовят условия для полимеризации. Этот полимер, который нерастворим в водной и парафиновой фазах, образуется на внешней поверхности частиц парафина и, наконец, после полимеризации заключает в капсулу парафин в виде оболочки.Размер этих капсул зависит от размера эмульсии или суспензии капель парафина. Иногда определенные добавки добавляются в среду для улучшения некоторых свойств полимера. Например, в некоторых исследованиях поливиниловый спирт (ПВС) добавляли в среду с метилметакрилатным мономером, который известен как один из наиболее важных материалов оболочки. В результате парафин был инкапсулирован PVA-модифицированным полиметилметакрилатом (PMMA). Добавление этого модификатора образует гладкую поверхность микрокапсулятов [36, 37].

В межфазном методе растворимые мономеры в органической фазе с другими мономерами в водной фазе на границе раздела капель образуют полимер, который осаждается на внешнем слое органической фазы.

Золь-гель метод представляет собой многоступенчатую процедуру. В этом способе, во-первых, кремнийорганическое соединение, такое как тетраэтоксисилан (TEOS), гидролизуется в кислой среде при низком pH. Приготовленный гомогенный раствор известен как золь. Затем парафиновую эмульсию готовят в водной среде и стабилизируют специальными эмульгаторами.На самом деле эти эмульгаторы являются первым слоем оболочки. Затем раствор золя медленно добавляют к водной фазе, содержащей парафин. Соединения кремния, содержащие ОН-группы (силанолы), образуют водородные связи с полярной стороной эмульгаторов, и, наконец, процесс конденсации осуществляется на границе раздела первого слоя. В результате парафиновые микрокапсулируются с неорганическим материалом, который часто является кремнеземом. Кремнезем является одним из важных материалов, используемых в качестве оболочки для микро- и нанокапсуляции.Диоксид кремния обладает высокой теплопроводностью и, с другой стороны, обладает лучшими механическими свойствами, чем некоторые полимеры [38, 39, 40, 41].

Как уже упоминалось, большинство материалов, используемых для микрокапсулирования, представляют собой полимеры. Основными полимерами, используемыми в качестве материалов оболочки, являются полиметилметакрилат [42], полистирол [43], мочевина-формальдегид [44], мочевина-меламин-формальдегид [45], полианилин [46] и др. Однако во многих случаях эти полимеры используются в измененном виде. Например, можно рассмотреть полиметилметакрилат, модифицированный поливиниловым спиртом или другими метакрилатами [36, 37], сополимерами полистирола [47] и модифицированным меламином формальдегидом с метанолом [48].В таблице 3 приведены наиболее распространенные полимеры, используемые в качестве материалов оболочки.

Таблица 3.

Распространенные материалы для микрокапсулирования PPCM.

В дополнение к вышеупомянутым методам микрокапсулирования, которые в основном образуют полимерные материалы в качестве оболочек, также были рекомендованы другие материалы. Например, Сингх и его коллеги использовали металлический серебро в качестве оболочки для микрокапсулированных парафинов. Сначала они эмульгировали парафин в мелкие частицы в воде, а затем превращали соли серебра в металлическое серебро с помощью реакции восстановления in situ. Сообщалось, что средний размер частиц составляет 329 мкм, а термические свойства парафина были исследованы с использованием ДСК и ТГА.Этот тип микрокапсулированных металлических оболочек был предложен для использования в системах управления теплом микроэлектроники [49].

Существует несколько методик изучения свойств микро- и нанокапсулятов. Во всех исследованиях дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC) и термогравиметрический анализ (TGA) использовались для определения тепловых свойств PPCM, таких как энтальпия плавления, температура плавления, потеря веса, деградация и т. Д. Различные методы, такие как XRD, FTIR и ¹² C ЯМР были использованы для изучения структуры и химического состава ПКМК.Морфологию и диаметры микрокапсул часто изучали с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM) и анализатора размера частиц.

Последний метод используется для изучения влияния различных переменных на диаметр микрокапсул. Одной из этих переменных является влияние скорости перемешивания на эмульгирование парафина. Результаты некоторых исследований показывают, что более высокая скорость перемешивания процесса эмульгирования приводит к уменьшению среднего размера капель парафина [48].

Наряду с исследованиями типа микрокапсул, было проведено много исследований для улучшения теплопроводности и механических свойств микрокапсулирования.Часть этих исследований была посвящена влиянию графена и оксида графена на улучшение теплопроводности [51]. Л. Чжан и соавт. исследовали влияние оксида графена на улучшение механических свойств и защиту от утечек, а также на улучшение теплопроводности меламиноформальдегида в качестве материалов оболочки микрокапсулятов PPCM [52]. В другой части исследований использовались металлы и оксиды металлов. Например, 10 и 20 мас.% Наномагнетита (Fe ₃ O ₄ ) с размером частиц от 40 до 75 нм увеличивают теплопроводность на 48 и 60% соответственно [53].Кроме того, добавление наночастиц TiO ₂ и Al ₂ O ₃ в массовой доле 5% по отношению к PPCM в диапазоне размеров 30–60 нм увеличивает теплопроводность на 40 и 65% соответственно [ 54].

Наноинкапсуляция PPCM очень похожа на процесс микрокапсулирования. Тем не менее, эти специфические методы инкапсуляции, такие как ультразвуковые, используются для регулировки размера капель парафина до менее 1 микрона. На следующем этапе, используя химические методы, упомянутые в методе микрокапсулирования, выполняется формирование оболочки.Наиболее распространенным методом нанокапсуляции является метод эмульсионной полимеризации. Однако, хотя и ограниченные, также были описаны методы межфазного и золь-гель.

4.2 Форма-стабильные PPCM

В последние годы исследования в области форм-устойчивых PCM на основе полимерных матриц приобрели большое значение. Среди этих типов материалов с фазовым переходом парафин-полимерный композит является особенно привлекательным. Комбинация парафина и полимеров в качестве новых ПКМ с уникальной контролируемой структурой может найти широкое применение.Это соединение остается твердым при температуре плавления парафина и даже выше без какого-либо размягчения, поэтому этот тип РСМ называют стабильным по форме. Эти материалы хорошо сформированы и обладают высокой способностью поглощения энергии; следовательно, они могут широко использоваться в качестве стабильных ПКМ с определенными свойствами. С другой стороны, некоторые проблемы, такие как высокая стоимость и сложность инкапсуляции процессов, могут быть решены. Несмотря на эти преимущества, некоторые распространенные недостатки, такие как низкая термостабильность, низкая теплопроводность и относительно высокая воспламеняемость, могут ограничивать их применение, особенно в строительных материалах.По этой причине необходимы дальнейшие исследования, чтобы устранить эти недостатки и улучшить свойства этих материалов. Большая часть исследований имеет отношение к увеличению или улучшению их теплопроводности, замедления пламени, а также теплофизических и механических свойств. Для улучшения этих свойств предложены подходящие добавки [55, 56].

В некоторых статьях сообщается, что простой метод включает смешивание-плавление полиэтилена и парафина, следовательно, охлаждение композита или использование простого двойного экструдера для приготовления РСМ с устойчивой формой [57, 58].Когда это соединение содержит достаточное количество полимера, гомогенная смесь остается твердой при температурах выше температуры плавления парафина и ниже температуры плавления полимера. Во время приготовления этих композитов между полимерами и парафином не образуются химические реакции или химические связи; поэтому эти типы соединений рассматриваются как физические смеси. Стабильные формы PPCM могут использоваться во всех ранее описанных областях. Благодаря термопластичным свойствам этих композитов их можно плавить и кристаллизовать для многих чисел циклов.Стабильные по форме PPCM имеют ряд преимуществ перед другими PCM. Они также нетоксичны и не требуют большого расхода энергии в процессе производства.

Инаба и Ту [59] разработали новый тип стабильных по форме PPCM и определили их теплофизические свойства. Эти материалы можно использовать без капсулирования. Фельдман и соавт. [60] подготовили пластины из стабильной формы ПКМ и определили их высокую емкость накопления тепловой энергии при использовании в небольших камерах. В этом типе пластин на основе полимеров жирные кислоты используются в качестве РСМ, которые поглощают или выделяют большое количество тепла во время плавления и затвердевания, не изменяя состав стабильной по форме РСМ.Те же исследователи определили роль листов полимер-PCM в стабилизации формы и размера пластин при сжижении PCM. Состав парафина и полиэтилена высокой плотности (HDPE) был изучен Lee и Choi [61] и был представлен как стабильный по форме материал для накопления энергии. В этом исследовании количество энергии, запасенной упомянутыми композитами, также изучается. Они также изучили морфологию кристаллической решетки полиэтилена высокой плотности (HDPE) и ее влияние на парафин с помощью сканирующей электронной микроскопии и анализа оптической микроскопии (ОМ).С другой стороны, они также сообщили о высокой способности аккумулировать тепловую энергию приготовленных формо-стабильных ПКМ на основе парафина / ПЭВП. Hong и Xin-Shi [62] синтезировали полиэтилен-парафин в виде PCM со стабильной формой и характеризовали его морфологию и структуру с помощью сканирующей электронной микроскопии и скрытой теплоты плавления с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии. В этом исследовании рекомендуется композиция, состоящая из 75% парафина в качестве дешевого, эффективного, простого в приготовлении, низкотемпературного, стабильного по форме PPCM.В другом исследовании Xiao et al. [63] приготовили стабильный по форме ПКМ на основе композиции парафина с термопластичным эластомером (бутадиен-стирольный каучук) и определили его термические свойства. Полученные результаты показывают, что стабильная смесь обладает свойством фазового перехода, и количество скрытой теплоты плавления, хранимой в этом соединении, оценивается в 80% чистого парафина. В другой части этого исследования теплопроводность ПКМ была значительно увеличена с помощью графита.

Несмотря на вышеуказанные преимущества, также сообщается о некоторых недостатках стабильных по форме PPCM.Одной из основных проблем является явление размягчения и утечки парафина при повышенных температурах. Seiler частично решил эту проблему, добавив другое соотношение кремнезема и сополимеров к полиэтилен-парафиновой композиции [64]. Другая проблема заключается в низкой теплопроводности полиэтилен-парафинового соединения. Много исследований было проведено, чтобы увеличить это свойство. А. Сари [65] приготовил два типа парафина с разными температурами плавления (42–44 ° С и 56–58 ° С) и смешал каждый с HDPE в качестве фазового модификатора.При добавлении 3% вспененного графита теплопроводность композитов увеличилась на 14 и 24% соответственно. Чжан и соавт. [66] разработали новые PCMS на основе графита и парафина с высокой емкостью накопления тепловой энергии и высокой теплопроводностью. Чжан, Дин и др. [67] использовали различные добавки, такие как диатомит, волластонит, органически модифицированный бентонит, карбонат кальция и графит, для улучшения теплопроводности стабильных по форме РСМ.

Следует отметить, что частицы металла и оксиды металлов из-за их более высокой теплопроводности широко используются для улучшения этого свойства ПКМ.Одним из материалов, которому в последние годы уделяется больше внимания, является глинозем. Наночастицы оксида алюминия добавляли в парафин для повышения его теплопроводности как в жидком, так и в твердом состояниях [57, 68]. Это соединение в сочетании с его высокой теплопроводностью является более дешевым и более распространенным, чем другие оксиды металлов.

Еще одна проблема со стабильными по форме PPCM — это их воспламеняемость. Эффект различных добавок был изучен учеными, чтобы устранить эту проблему. Одним из наиболее эффективных из этих веществ являются галогенированные соединения, но они вызывают загрязнение окружающей среды, а также выделяют токсичные соединения при сжигании.Исследователи использовали гибридные и экологически чистые материалы для повышения долговечности огнезащитных материалов. Они изучали влияние глинистых наночастиц и органо-модифицированного монтмориллонита. Добавление этих материалов не только повышает их стойкость к горению, но и повышает их механические и термические свойства [69, 70, 71]. В другом исследовании Y. Cai et al. добавили парафин, ПЭВП и графит, затем отдельно добавили полифосфат аммония и борат цинка и изучили их устойчивость к горению.Результаты показывают, что добавление полифосфата аммония снижает воспламеняемость, в то время как борат цинка увеличивает риск воспламеняемости [72]. Одним из наиболее интересных и безвредных огнезащитных составов являются гидроксиды металлов, особенно гидроксид алюминия, гидроксид магния или их комбинации [73, 74, 75].

Некоторые исследователи использовали другие современные материалы в качестве вспомогательных материалов для приготовления стабильных по форме PPCM вместо использования полимерной матрицы [76, 77, 78]. Rawi et al. использовали обработанные кислотой многостенные углеродные нанотрубки (A-CNT).Они сообщили, что добавление 5% по массе A-CNT к парафину уменьшает 25% скрытой теплоты при увеличении теплопроводности до 84% [79]. Y. Wan и соавт. б шишка биоуголь в качестве поддерживающей матрицы для РСМ. Они подготовили материалы PCM со стабильной формой при различных соотношениях и изучили характеристики утечки. Оптимальное соотношение составляет 60% от ПКМ. Для вышеуказанного соотношения утечки PCM после температуры плавления не наблюдалось. Результаты показали, что теплопроводность того же коэффициента стабильной формы ПКМ увеличилась на 44% по сравнению с чистым ПКМ [80].

Вода — Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость (C) — это количество тепла, необходимое для изменения температуры единицы массы вещества на один градус.

При расчете массового и объемного расхода в системах водяного отопления при более высокой температуре — удельная теплоемкость должна корректироваться в соответствии с рисунками и таблицами ниже.

Удельная теплоемкость дается при различных температурах (° C и ° F) и при давлении насыщения водой (что для практического использования дает тот же результат, что и атмосферное давление при температурах <100 ° C (212 ° F)).

• I Сохорическая удельная теплоемкость (C _v ) для воды в замкнутой системе с постоянным объемом (= изоволюметрическая или изометрическая ).
• Изобарная удельная теплоемкость (C _p ) для воды в системе с постоянным давлением (ΔP = 0).