Теплоемкость парафина: Таблицы удельной теплоемкости веществ: газов, жидкостей, металлов, продуктов

Таблицы удельной теплоемкости веществ: газов, жидкостей, металлов, продуктов

АБС пластик 1300…2300
Аглопоритобетон и бетон на топливных (котельных) шлаках 840
Алмаз 502
Аргиллит 700…1000
Асбест волокнистый 1050
Асбестоцемент 1500
Асботекстолит 1670
Асбошифер 837
Асфальт 920…2100
Асфальтобетон 1680
Аэрогель (Aspen aerogels) 700
Базальт 850…920
Барит 461
Береза 1250
Бетон 710…1130
Битумоперлит 1130
Битумы нефтяные строительные и кровельные 1680
Бумага 1090…1500
Вата минеральная 920
Вата стеклянная 800
Вата хлопчатобумажная 1675
Вата шлаковая 750
Вермикулит 840
Вермикулитобетон 840
Винипласт 1000
Войлок шерстяной 1700
Воск 2930
Газо- и пенобетон, газо- и пеносиликат, газо- и пенозолобетон 840
Гетинакс 1400
Гипс формованный сухой 1050
Гипсокартон 950
Глина 750
Глина огнеупорная 800
Глинозем 700…840
Гнейс (облицовка) 880
Гравий (наполнитель) 850
Гравий керамзитовый 840
Гравий шунгизитовый 840
Гранит (облицовка) 880…920
Графит 708
Грунт влажный (почва) 2010
Грунт лунный 740
Грунт песчаный 900
Грунт сухой 850
Гудрон 1675
Диабаз 800…900
Динас 737
Доломит 600…1500
Дуб 2300
Железобетон 840
Железобетон набивной 840
Зола древесная 750
Известняк (облицовка) 850…920
Изделия из вспученного перлита на битумном связующем 1680
Ил песчаный 1000…2100
Камень строительный 920
Капрон 2300
Карболит черный 1900
Картон гофрированный 1150
Картон облицовочный 2300
Картон плотный 1200
Картон строительный многослойный 2390
Каучук натуральный 1400
Кварц кристаллический 836
Кварцит 700…1300
Керамзит 750
Керамзитобетон и керамзитопенобетон 840
Кирпич динасовый 905
Кирпич карборундовый 700
Кирпич красный плотный 840…880
Кирпич магнезитовый 1055
Кирпич облицовочный 880
Кирпич огнеупорный полукислый 885
Кирпич силикатный 750…840
Кирпич строительный 800
Кирпич трепельный 710
Кирпич шамотный 930
Кладка «Поротон» 900
Кладка бутовая из камней средней плотности 880
Кладка газосиликатная 880
Кладка из глиняного обыкновенного кирпича 880
Кладка из керамического пустотного кирпича 880
Кладка из силикатного кирпича 880
Кладка из трепельного кирпича 880
Кладка из шлакового кирпича 880
Кокс порошкообразный 1210
Корунд 711
Краска масляная (эмаль) 650…2000
Кремний 714
Лава вулканическая 840
Латунь 400
Лед из тяжелой воды 2220
Лед при температуре 0°С 2150
Лед при температуре -100°С 1170
Лед при температуре -20°С 1950
Лед при температуре -60°С 1700
Линолеум 1470
Листы асбестоцементные плоские 840
Листы гипсовые обшивочные (сухая штукатурка) 840
Лузга подсолнечная 1500
Магнетит 586
Малахит 740
Маты и полосы из стекловолокна прошивные 840
Маты минераловатные прошивные и на синтетическом связующем 840
Мел 800…880
Миканит 250
Мипора 1420
Мрамор (облицовка) 880
Настил палубный 1100
Нафталин 1300
Нейлон 1600
Неопрен 1700
Пакля 2300
Парафин 2890
Паркет дубовый 1100
Паркет штучный 880
Паркет щитовой 880
Пемзобетон 840
Пенобетон 840
Пенопласт ПХВ-1 и ПВ-1 1260
Пенополистирол 1340
Пенополистирол «Пеноплекс» 1600
Пенополиуретан 1470
Пеностекло или газостекло 840
Пергамин 1680
Перекрытие армокерамическое с бетонным заполнением без штукатурки 850
Перекрытие из железобетонных элементов со штукатуркой 860
Перекрытие монолитное плоское железобетонное 840
Перлитобетон 840
Перлитопласт-бетон 1050
Перлитофосфогелевые изделия 1050
Песок для строительных работ 840
Песок речной мелкий 700…840
Песок речной мелкий (влажный) 2090
Песок сахарный 1260
Песок сухой 800
Пихта 2700
Пластмасса полиэфирная 1000…2300
Плита пробковая 1850
Плиты алебастровые 750
Плиты древесно-волокнистые и древесно-стружечные (ДСП, ДВП) 2300
Плиты из гипса 840
Плиты из резольноформальдегидного пенопласта 1680
Плиты из стеклянного штапельного волокна на синтетическом связующем 840
Плиты камышитовые 2300
Плиты льнокостричные изоляционные 2300
Плиты минераловатные повышенной жесткости 840
Плиты минераловатные полужесткие на крахмальном связующем 840
Плиты торфяные теплоизоляционные 2300
Плиты фибролитовые и арболит на портландцементе 2300
Покрытие ковровое 1100
Пол гипсовый бесшовный 800
Поливинилхлорид (ПВХ) 920…1200
Поликарбонат (дифлон) 1100…1120
Полиметилметакрилат 1200…1650
Полипропилен 1930
Полистирол УПП1, ППС 900
Полистиролбетон 1060
Полихлорвинил 1130…1200
Полихлортрифторэтилен 920
Полиэтилен высокой плотности 1900…2300
Полиэтилен низкой плотности 1700
Портландцемент 1130
Пробка 2050
Пробка гранулированная 1800
Раствор гипсовый затирочный 900
Раствор гипсоперлитовый 840
Раствор гипсоперлитовый поризованный 840
Раствор известково-песчаный 840
Раствор известковый
920
Раствор сложный (песок, известь, цемент) 840
Раствор цементно-перлитовый 840
Раствор цементно-песчаный 840
Раствор цементно-шлаковый 840
Резина мягкая 1380
Резина пористая 2050
Резина твердая обыкновенная 1350…1400
Рубероид 1500…1680
Сера 715
Сланец 700…1600
Слюда 880
Смола эпоксидная 800…1100
Снег лежалый при 0°С 2100
Снег свежевыпавший 2090
Сосна и ель 2300
Сосна смолистая 15% влажности 2700
Стекло зеркальное (зеркало) 780
Стекло кварцевое 890
Стекло лабораторное 840
Стекло обыкновенное, оконное 670
Стекло флинт 490
Стекловата 800
Стекловолокно 840
Стеклопластик 800
Стружка деревянная прессованая 1080
Текстолит 1470…1510
Толь 1680
Торф 1880
Торфоплиты 2100
Туф (облицовка) 750…880
Туфобетон 840
Уголь древесный 960
Уголь каменный 1310
Фанера клееная 2300…2500
Фарфор 750…1090
Фибролит (серый) 1670
Циркон 670
Шамот 825
Шифер 750
Шлак гранулированный 750
Шлак котельный 700…750
Шлакобетон 800
Шлакопемзобетон (термозитобетон) 840
Шлакопемзопено- и шлакопемзогазобетон 840
Штукатурка гипсовая 840
Штукатурка из полистирольного раствора 1200
Штукатурка известковая 950
Штукатурка известковая с каменной пылью 920
Штукатурка перлитовая 1130
Штукатурка фасадная с полимерными добавками 880
Шунгизитобетон 840
Щебень и песок из перлита вспученного 840
Щебень из доменного шлака, шлаковой пемзы и аглопорита 840
Эбонит 1430
Эковата 2300
Этрол 1500…1800

Теплоемкость твердых материалов и жидкостей

 

НазваниеCpж
кДж/(кг °С)
НазваниеCpж
кДж/(кг °С)
Асбест 0,80 Мрамор 0,80
Асбоцемент (плиты) 0,96 Панели легкие строительные 1,47. ..1,88
Асфальт 0,92 Парафин 2,19
Базальт 0,84 Песчаник глиноизвестковый 0,96
Бакелит 1,59 Песчаник керамический 0,75-0,84
Бетон 1,00 Песчаник красный 0,71
Бумага сухая 1,34 Пластмасса 1.67…2.09
Волокно минеральное 0,84 Полистирол 1,38
Гипс 1,09 Полиуретан 1,38
Глина 0,88 Полихлорвинил 1,00
Гранит 0,75 Пробка 1,26. ..2,51
Графит 0,84 Пробка, крошка 1,38
Грунт песчаный 1.1…3.2 Резина твердая 1,42
Дерево, дуб 2,40 Сера ромбическая 0,71
Дерево, пихта 2,70 Слюда 0,84
Древесно-волокнистая плита 2,30 Солидол 1,47
Земля влажная 2,0 Соль каменистая 2.1…3.0
Земля сухая 0,84 Соль каменная 0,92
Земля утрамбованная 1,0-3,0 Соль поваренная 0,88
Зола 0,80 Стекло 0,75-0,82
Известь 0,84 Стекловолокно 0,84
Кальцит 0,80 Тело человека 3,47
Камень 0. 84..1,26 Торф 1,67…2,09
Каолин (белая глина) 0,88 Уголь бурый (О…1ОО °С )  
Картон сухой 1,34 20% воды 2,09
Кварц 0,75 60% воды 3,14
Кизельгур (диатомит) 0,84 в брикетах 1,51
Кирпич 0,84 Уголь древесный 0,75… 1,17
Кирпичная стена 0,84… 1,26 Уголь каменный (0…100°С) 1,17… 1,26
Кожа 1,51 Фарфор 0,80
Кокс (0…100°С) 0,84 Хлопок 1,30
(0. ..1000°C) 1,13 Целлюлоза 1.55
Лед (0°С) 2.11 Цемент 0,80
(-10°С) 2,22 Чугун 0,55
(-20 °С) 2,01 Шерсть 1,80
(-60 °С ) 1,64 Шифер 0,75
Лед сухой (твердая CO2) 1,38 Щебень 0,75…1,00
НазваниеCpж
кДж/(кг °С)
НазваниеCpж
кДж/(кг °С)
Ацетон 2,22 Масло минеральное 1,67…2,01
Бензин 2,09 Масло смазочное 1,67
Бензол (10°С) 1,42 Метиленхлорид 1,13
(40С) 1,77 Метил хлорид 1,59
Вода чистая (0°С) 4,218 Морская вода (18°С)  
(10°С) 4,192 0,5% соля 4,10
(20°С) 4,182 3% соля 3,93
(40°С) 4,178 6% соли 3,78
(60°С) 4,184 Нефть 0,88
(80°С) 4,196 Нитробензол 1,47
(100°С) 4,216 Парафин жидкий 2,13
Глицерин 2,43 Рассол (-10°С)  
Гудрон 2,09 20% соли 3,06
Деготь каменноугольный 2,09 30% соли 2,64. ..2,72
Дифенил 2,13 Ртуть 0,138
Довтерм 1,55 Скипидар 1,80
Керосин бытовой 1,88 Спирт метиловый (метанол) 2,47
Керосин бытовой (100 °С) 2,01 Спирт нашатырный 4,73
Керосин тяжелый 2,09 Спирт этиловый (этанол) 2,39
Кислота азотная 100%-я 3,10 Толуол 1.72
Кислота серная 100%-я 1,34 Трихлорэтилен 0,93
Кислота соляная 17%-я 1,93 Хлороформ 1,00
Кислота угольная (-190°С) 0,88 Этиленгликоль 2,30
Клей столярный 4,19 Эфир кремниевой кислоты 1,47

 

Примечание: источниками справочных данных являются публикации в Интернете, поэтому они не могут считаться «официальными» и «абсолютно точными». Как правило, в Интернет справочниках не приводятся ссылки на научные работы, являющиеся основой опубликованных данных. Мы стараемся брать информацию из наиболее надежных научных сайтов. Однако если кого-то интересуют ссылки на эксперименты, советуем произвести самостоятельно углубленный поиск в Интернете. Будем признательны за любые комментарии к нашим справочным таблицам, а особенно за уточнения существующей информации или дополнение справочных данных.

Удельная теплоемкость и теплопроводность теплоаккумулирующих материалов на основе парафина, буроугольного и полиэтиленового восков Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

SPECIFIC HEAT CAPACITY AND THERMAL CONDUCTIVITY OF HEAT STORAGE MATERIALS BASED ON PARAFFIN, BROWN-COAL WAX AND POLYETHYLENE WAX

Snezhkin Yu., Mykhailyk V., Korinchevska T., Vorobiev L., Dekusha L.

Institute of Engineering Thermophysics of National Academy of Sciences of Ukraine

Abstract. The present paper overviews heat storage materials (HSM) with phase change based on organic compounds. They consist of paraffin, brown-coal wax and polyethylene wax. These materials are produced on an industrial scale for the foundry work. It is shown that heat capacity of HSM in the solid and liquid states can be used for heat storage in addition to the heat of phase change. The results of investigations of phase change during heating and cooling HSM are presented. The studies are carried out by differential scanning calo-rimetry (DSC). The measurement techniques of the specific heat capacity and the coefficient of thermal conductivity are shown. Temperature dependences of the specific heat capacity of HSM in the solid and liquid states are researched by DSC. Values of the coefficient of thermal conductivity are determined by contact stationary technique of the flat plate over the entire temperature range of the operation of heat storage system. Keywords: Heat storage, phase change, heat capacity, thermal conductivity. a L.

Institutul de Termofizica Inginereasca al Academiei Nafionala din Ucraina Rezumat. Articolul descrie materiale perspective de utilizare in scopul stocarii caldurii (MSC) cu tranzitie de faza pe baza compu§ilor organici, care constau dintr-un ansamblu de componente: parafina, ceara de lignit §i ceara de polietilena. Aceste componente sunt produse la scara industriala pentru industria metalurgica. Este studiata posibilitatea de a utiliza in scopuri de stocare nu numai reie§ind din caldura de tranzitie de faza, dar §i luand in considerare capacitatea termica a MSC in stare solida §i lichida. Sunt prezentate rezultatele cercetari ale proceselor tranzitiilor de faza in timpul incalzirii §i racirii cu utilizarea metodei calorimetriei cu scanare diferentiala (DSC). Sunt prezentate metodele de masurare a capacitatii termice specifice §i a coeficientului de conductivitate termica. Prin metoda DSC sunt cercetate dependentele de temperatura a capacitatii specifice a MSC in stare solida §i stare lichida. Valorile coeficientului de conductivitate termica sunt determinate prin metoda placii plate in banda de variere a temperaturii de lucru a acumulatorului de caldura. Cuvinte-cheie: Stocare caldura, tranzitie de faza, capacitate termica, conductivitate termica.

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ И ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ПАРАФИНА, БУРОУГОЛЬНОГО И ПОЛИЭТИЛЕНОВОГО ВОСКОВ Снежкин Ю.Ф., Михайлик В.А., Коринчевская Т.В., Воробьёв Л.И., Декуша Л.В.

Институт технической теплофизики НАН Украины Аннотация. В работе рассмотрены теплоаккумулирующие материалы (ТАМ) с фазовым переходом на основе органических соединений, состоящие из парафина, буроугольного и полиэтиленового восков, выпускаемые в промышленных масштабах для литейного производства. Рассмотрена возможность использования для аккумулирования энергии, помимо теплоты фазового перехода, теплоемкости ТАМ в твердом и жидком состояниях. Показаны результаты исследований фазовых переходов при нагревании и охлаждении ТАМ методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Приведены методики измерения удельной теплоемкости и коэффициента теплопроводности. Методом ДСК исследованы температурные зависимости удельной теплоемкости ТАМ в твердом и жидком состояниях. Значения коэффициента теплопроводности определены контактным стационарным методом плоской пластины во всем температурном диапазоне работы теплового аккумулятора.

Ключевые слова: Тепловое аккумулирование, фазовый переход, теплоемкость, теплопроводность.

Введение

Обеспечение стабильной нагрузки на энергосистемы является актуальной проблемой в энергетике. Суточный график потребления электроэнергии в энергосистеме характеризуется резким ростом нагрузки в утренние и вечерние часы и значительным снижением в ночное время. При этом наибольшие проблемы возникают у электрогене-рирующих предприятий, так как возможность маневрирования мощностями у них сильно ограничена. Для частичного выравнивания суточных графиков нагрузки энергосистемы в Украине, как и в ряде стран Европы, введен льготный ночной тариф на электроэнергию, призванный стимулировать её потребление ночью.

Одним из экономически целесообразных направлений ночного потребления электроэнергии является аккумулирование, что позволяет накапливать энергию ночью по льготному тарифу и использовать ее постепенно в течение дня. В данном случае достаточно эффективным является использование электрических тепловых аккумуляторов.

Среди различных типов тепловых аккумуляторов перспективным является аккумулятор с использованием в качестве рабочего вещества материалов с фазовым переходом [1-4]. Его преимуществом является способность обеспечивать высокую плотность аккумулирования энергии в узком диапазоне температур с незначительным изменением объема теплоаккумулирующего материала (ТАМ) при фазовом переходе [5]. Наиболее распространенными материалами, которые используются для аккумулирования тепловой энергии, являются парафины [4].

В качестве ТАМ нами выбраны смеси на основе органических соединений, используемые в литейном производстве для изготовления моделей. Их выпуск налажен в промышленных масштабах в ООО «Химвоскпром» (г. Александрия, Украина). Смеси представляют собой сплав из парафина, буроугольного и полиэтиленового восков. Главное их преимущество состоит в том, что они в большинстве имеют фазовый переход в области температур, разрешенных санитарными нормами для жилых помещений, в процессе многократного циклического нагрева и охлаждения не теряют свои тепло-физические свойства [6], а в цене выгодно отличаются от чистых веществ.

Парафин, основный компонент смесей, является смесью углеводородов предельного ряда с кристаллической структурой. Углеводороды, входящие в состав парафина, представлены твердыми парафинами с температурой плавления 45. . .65 °C и церезинами (температура плавления 60.80 °C) [7]. Его используют для придания моделям пластичности и устойчивости к трещинообразованию. Буроугольный воск — смесь воска, смолы и асфальтоподобных веществ. Это однородная масса темно-бурого цвета с интервалом плавления 82.90 °C. Имеет высокую прочность и твердость, способствует образованию твердой блестящей поверхности моделей [8]. Полиэтиленовый воск -синтетическое высокомолекулярное соединение с температурой плавления 80. 115 °C. Повышает термостойкость и прочность парафина в 1,5 — 2 раза [9].

Методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) исследованы фазовые переходы при нагревании и охлаждении ТАМ, в результате определены их термодинамические параметры — температурные интервалы, а также энтальпии плавления и кристаллизации (табл. 1). Многократное циклическое нагревание и охлаждение ТАМ показало стабильность их физико-химических свойств, обеспечивающих многолетнюю эксплуатацию в тепловых аккумуляторах [6].

В дериватографе Q-1000 исследована термостойкость ТАМ, эксплуатационная характеристика, от величины которой зависит температура поверхности нагревателей или промежуточного теплового агента в теплоаккумулирующих устройствах [10]. Результаты ранее проведенных исследований физико-химических свойств ТАМ частично представлены в табл. 1.

Таблица 1. Характеристики теплоаккумулирующих материалов

Смесь, № Температурный интервал, °С Теплота фазового перехода, кДж-кг-1 Температура начала термической деструкции, °С

плавление кристаллизация плавление кристаллизация

1 (90% парафина + 10 % буроугольного воска) 28.86 73.21 170,3 152,1 167

2 (85% парафина + 15 % буроугольного воска) 30. 86 74.22 174,1 164,4 163

3 (75% парафина + 20 % буроугольного воска + 5% полиэтиленового воска) 30.102 88.22 163,1 139,8 170

Анализ полученных результатов показал, что смеси на основе парафина, буро-угольного и полиэтиленового восков имеют достаточно высокие величины теплоты фазовых переходов и обладают термической стойкостью, позволяющей использовать их в качестве рабочих тел теплоаккумулирующих устройств. Введение в состав смеси полиэтиленового воска вызывает расширение температурного диапазона фазового перехода, однако несколько понижает его удельную теплоту, что ставит в выгодное положение состав с 85% парафина и 15 % буроугольного воска.

Кроме того, как видно из ДСК-кривых нагревания (рис.1, а), на участках температур до плавления и после его завершения происходит аккумулирование теплоты за счет повышения внутренней энергии материала. Освобождается эта теплота при охлаждении ТАМ до начала кристаллизации и после ее завершения (рис.1, б). При этом количество энергии, аккумулированной при нагревании и высвободившейся при охлаждении, зависит от теплоемкости ТАМ в твердом и жидком состояниях.

Рис. 1. ДСК-кривые нагревания (а) и охлаждения (б) ТАМ

Теоретический расчет количества теплоты, запасенной аккумулятором с рабочим материалом на основе органических соединений с фазовым переходом, может быть выполнен по формуле:

Q = c™/(т)тТПЛ — T)+АНплш + cж/(т)т(г2 -T*) (1)

где:

cтв — удельная теплоемкость ТАМ в твердом состоянии, кДж-кг-1-К-1;

cж — удельная теплоемкость ТАМ в жидком состоянии, кДжкг» -К» ;

m — масса ТАМ, кг;

T — температура окружающей среды, оС;

т2 — конечная температура нагревания ТАМ, оС;

TH — начальная температура плавления ТАМ, оС;

TjK — конечная температура плавления ТАМ, оС;

АНпп — удельная теплота плавления ТАМ, кДж-кг-1.

Количество теплоты отдаваемой аккумулятором в окружающую среду при охлаждении в том же температурном диапазоне равно количеству аккумулированной теплоты.

Неизвестными в уравнении (1) являются температурные зависимости удельной теплоемкости ТАМ в твердом cтв = f (т) и жидком cж = f (т) состояниях.

Для расчета теплообмена в аккумуляторе в режимах аккумулирования и разрядки также необходимы данные об изменении теплопроводности ТАМ.

В данной статье представлены результаты исследований температурных зависимостей коэффициента теплопроводности и удельной теплоемкости ТАМ в твердом и жидком состояниях.

Определение удельной теплоемкости ТАМ

Теплоемкость смесей определялась в дифференциальном сканирующем микрокалориметре ДСМ-2М, оснащенном компьютерной программой сбора и обработки информации «ThermCap», написанной на языке программирования Delphi. Термостатиро-вание измерительного блока микрокалориметра осуществлялось водным раствором этанола, охлажденным в криостате МК-70 до -30 °С. Для предотвращения конденсации влаги в калориметрических ячейках измерительный блок заполняли осушенным газообразным гелием, поток которого контролировали в процессе измерений.

Образцы ТАМ массой 11.. .13 мг закрывали в герметичные алюминиевые контейнеры с массой, отличающейся не более чем на ±0,02 мг.

Измерение осуществляли путем пошагового сканирования по методике, широко используемой во многих исследовательских лабораториях при определении удельной теплоемкости веществ и материалов [11, 12]. Температурный диапазон был разделен на интервалы, в конечных точках которых измеряли отклонения кривой ДСК от базовой линии после перевода микрокалориметра из режима сканирования в изотермический режим. Измерение отклонений повторяли не менее трех раз. Для этого каждый раз содержимое ячеек охлаждали до стартовой температуры, величина которой была на 20 °С ниже конечной температуры сканирования. ) и исследуемого образца массой тШ (Ут) от базовой линии. Расчет удельной теплоемкости исследуемого материала производили по формуле (2):

с ± г Ьс (2)

Ст» Г ± гк (2)

Средние значения абсолютного величин Г складывали со средними величинами Гт и ¥х, когда отклонения не совпадали по направлению относительно базовой линии и вычитали, если направления отклонений совпадали.

В качестве эталонной меры теплоемкости использовали синтетический корунд а-Л12О3, обладающий стандартными термодинамическими свойствами [13]. Удельную теплоемкость стандартного образца рассчитывали по аппроксимирующим температурные зависимости полиномам:

в интервале температур Т = 190-320 К

пд = — 49,024407 + 0,651534 О — 771,53 10″6 О2 + 0,889-10-7 О3

и в интервале температур Т = 320-400 К

пд = 147,4338- 0,0281 О + 0,000045 О2 -18190,6836/(0 -13,5) + 3,4768- 10 13(О — 273,15)4 .

Для оценки точности измерений была определена удельная теплоемкость образцовой меры (синтетического корунда) из теплового комплекта калориметра. Средняя квадратичная ошибка отдельного измерения и относительная погрешность составили 0,155 Дж-кг-1-К-1 и 0,67 % соответственно.

Результаты определения удельной теплоемкости ТАМ в указанных интервалах температур представлены на рис. 2. В области от 30 до 80 °С наблюдается фазовый переход (плавление), поэтому измерение теплоемкости не производилось. Как видно с рисунка температурные зависимости удельной теплоемкости исследованных веществ и материалов в твердом и жидком состояниях имеют разный характер. В низкотемпературной области зависимости имеют большую крутизну, чем в области высоких температур, т.е. расплавы аккумулируют теплоту в основном за счет повышения температуры.

Наибольшую удельную теплоемкость, как в твердом, так и в жидком состояниях имеет парафин, наименьшую — буроугольный воск. Удельные теплоемкости смесей 1, 2 и 3 занимают промежуточное положение между значениями удельной теплоемкости парафина и буроугольного воска.

Проверочный расчет теплоемкости согласно правилу аддитивности показал, что вычисленные значения удельной теплоемкости смесей, как суммы парциальных величин экспериментально определенных теплоемкостей компонентов, имеют небольшое различие с измеренными калориметрическим методом. При 20 °С для смеси 1 расхождение значений составляет 7,6 %, а для смеси 2 — 8,0 %. При 100 °С для смеси 1 расхождение в значениях удельной теплоемкости составляет 0,3 %, а для смеси 2 — 4,3 %.

Как показывает опыт, использование правила аддитивности для расчета удельной теплоемкости композиционных материалов органического происхождения допускается

лишь на стадии предварительной оценки. Из-за возможного взаимодействия компонентов, смеси могут приобретать новые свойства, что требует экспериментального определения теплоемкости.

Рис. 2. Зависимости удельной теплоемкости образцов ТАМ от температуры

Определение теплопроводности ТАМ

На теплопроводность материала влияет большое число параметров — температура, структура и состояние вещества, внешнее воздействие и др. Точное ее определение расчетным путем практически невозможно и поэтому значение коэффициента теплопроводности находят экспериментально.

Объектом исследования выбрана смесь 2, имеющая наивысшую величину энтальпии плавления и кристаллизации. Теплопроводность смеси определяли методом плоской пластины на разработанном и изготовленном в ИТТФ НАНУ приборе ИТ-7-60НМ, предназначенном для измерения теплопроводности твердых, мелкодисперсных сыпучих и жидких материалов.

Элементы прибора образуют ячейку-контейнер для образца в виде короткого цилиндра. Образец в ячейке-контейнере размещен между источником и стоком теплоты (нагревателем и холодильником) прибора, а боковые грани образца изолированы кольцом из теплоизоляционного материала. При измерениях поддерживают постоянные температуры нагревателя и холодильника прибора, а соответственно и постоянную разность температуры на поверхностях образца. Теплосъём со стока теплоты прибора осуществляется конвективно — продувкой окружающего воздуха через радиатор холодильника.

Исследования ТАМ, изменяющих свое агрегатное состояние в процессе исследований, проводилось с применением открытых ячеек-контейнеров с карманом для компенсации изменения объёма. Открытая сверху ячейка-контейнер (при снятом нагревателе) нагревалась до температуры на 3…5 К выше температуры плавления исследуемого материала и заполнялась порциями материала по мере его плавления. Добавление материала проводилось до заполнения всего объёма ячейки, включая карман. Затем устанавливался верхний нагреватель — ячейка закрывалась и медленно охлаждалась. При этом часть материала из кармана переходит в диск образца. Толщина этого диска определяется параметрами конструкции ячейки-контейнера.

2,5 -,

1,5 Н-1-1-1-1— —I-1-1-1-1-1

0 10 20 30 40 80 90 100 110 120 130

Температура, °С

-ж-Смесь 1 -»-Смесь 2 -*-Смесь 3 -»-Парафин Буроугольный воск

Для измерения теплопроводности при заданной температуре образца устанавливают температуры нагревателя и холодильника прибора с разницей в 5…10 К. Для минимизации боковых теплопотерь образца, температуру защитного экрана прибора устанавливают соответствующую средней температуре между нагревателем и холодильником. После установления стационарного теплового режима проводят серию измерений сигналов преобразователей теплового потока (ПТП) и термоэлектрических преобразователей температуры, по которым рассчитывают средние значения тепловых потоков и температур. , — значения температуры, найденные по показаниям термоэлектрических преобразователей, установленных над и под образцом, К;

4 , 4 2 — значения плотности теплового потока, найденные по показаниям ПТП, установленных над и под образцом, Вт-м-2;

И обр — толщина образца, м;

ябал — балластное тепловое сопротивление между встроенными термоэлектрическими преобразователями и поверхностями образца, К-Вт»1.

Исследование теплопроводности теплоаккумулирующего материала состоит из серии экспериментов, для каждого из которых задается средняя температура образца. Измерения начинают при минимальном значении температур из рабочего диапазона и продолжают, увеличивая значение средней температуры.

Пределы основной относительной погрешности измерения коэффициента теплопроводности составляют ± 3. 5 %.

Результаты исследования теплопроводности представлены на рис. 3.

Температура,

Рис. 3. Зависимости коэффициента теплопроводности от температуры (смесь №2)

2

В интервале температур 20.30 °С, характерного для твердого состояния ТАМ, наблюдается постепенное увеличение коэффициента теплопроводности с ростом температуры — 0,242.0,245 Вт-м_1-К-1. Скачок значений коэффициента теплопроводности в интервале 40.80 °С объясняется фазовым переходом материала из твердого состояние в жидкое. Для жидкого состояния (80.120 °С) также характерно увеличение коэффициента теплопроводности с ростом температуры. Хотя сами значения коэффициента теплопроводности для жидкого состояния (0,189.0,198 Вт-м-1-К-1) изменяются незначительно.

Выводы

В работе подвергнуты испытаниям теплоаккумулирующие материалы на основе органических соединений с фазовым переходом в области температур, разрешенных санитарными нормами для жилых помещений.

В результате исследований, проведенных методом ДСК, получены температурные зависимости удельной теплоемкости смесей на основе парафина, буроугольного и полиэтиленового восков в твердом и жидком состояниях. Несмотря на более высокие значения удельной теплоемкости состава смеси с полиэтиленовым воском в жидком состоянии по сравнению с составом, содержащим 85 % парафина и 15% буроугольного воска, из-за снижения удельной теплоты перехода, приводящей к уменьшению емкости аккумулятора, этот состав не включен в перечень материалов для использования в качестве теплоаккумулирующих.

Во всем температурном диапазоне работы теплового аккумулятора контактным стационарным методом плоской пластины определены значения коэффициента теплопроводности смеси, содержащей 85 % парафина и 15% буроугольного воска, рекомендованной для применения в качестве теплоаккумулирующего материала.

Показана возможность использования для аккумулирования энергии, помимо теплоты фазового перехода, теплоемкости исследованных теплоаккумулирующих материалов в твердом и жидком состояниях.

Полученные данные необходимы для составления полного теплового баланса и расчета теплообмена на этапах накопления теплоты аккумулятором и его разрядки.

Литература

[1] Abhat A. Low temperature latent heat thermal energy storage: heat storage materials / A. Abhat // Solar Energy. — 1983. — Vol. 30. — P. 313-332.

[2] Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications / B. Zalba, J. Marin, L. Cabeza, H. Mehling // Applied Thermal Engineering. — 2003. — Vol. 23. — P. 251-283.

[3] Sharma S.D. Latent heat storage materials and systems: A review / S.D. Sharma, K. Sa-gara // International Journal of Green Energy. — 2005. — Vol. 2. — Р. 1-56.

[4] Ukrainczyk N. Thermophysical Comparison of Five Commercial Paraffin Waxes as Latent Heat Storage Materials / N. Ukrainczyk, S. Kurajica, J. Sipusic // Chemical & Biochemical Engineering Quarterly / — 2010. — Vol. 24., No.2. — P. 129-137.

[5] Коршчевська Т.В. Перспективы методи акумулювання теплово’1 енергп / Т.В. Коршчевська // Науковi пращ Одесько’1 нащонально! академи харчових технологий, Мш. Освгги i науки Украши. — Одеса: 2010. — Вип. 37. — c. 236 — 241.

[6] Теплофизические свойства теплоаккумулирующих материалов на основе органических соединений / В.А. Михайлик, Ю.Ф. Снежкин, Т.В. Коринчевская, А.С. Парняков, В.А. Постников // Промышленная теплотехника — 2011. — Т. 33, №5. — С. 96-103.

[7] Переверзев А.Н. Производство парафинов / А.Н. Переверзев, Н.Ф. Богданов, Ю.Н. Рощин — М. : Химия, 1973. — 224 с.

[8] Модельные составы. ехшка» «Хiмiя, технология ре-човин та ix застосування» — 2013. — №761. — С.270-273.

[11] Определение теплоемкости влагосодержащих материалов с помощью сканирующей калориметрии / В.А. Михайлик, Ю.Ф. Снежкин, А.Ф. Немчин, Е.О. Давидова // Промышленная теплотехника — 2002. — Т. 24, № 5. — С. 92-96.

[12] Пластмаси. Диференщальна сканувальна калориметрiя. Частина 4. Визначення пи-томо-i теплоемност : ДСТУ ISO 11357-4:2010 (ISO 11357-4:2005, IDT). — [Чинний вщ 01-01-2012].- К. : Держспоживстандарт Украши, 2011. — 12 с. — (Нацюнальш стандарти Украши)

[13] Олейник Б.Н. Точная калориметрия / Б.Н. Олейник. — 2-е изд., перераб. — М. : Изд-во стандартов, 1973. — 208 с.

Сведения об авторах:

Снежкин Юрий Федорович, Институт технической теплофизики Национальной Академии наук Украины, зам. директора, член-корреспондент НАН Украины, д.т.н., профессор. Область научных интересов: процессы тепломассопереноса и их интенсификация, исследования кинетики конвективной сушки, разработка методов сушки различного рода материалов, разработка и создание энергоресурсосберегающих теплотехнологий и оборудования. E-mail: [email protected]

Михайлик Вячеслав Аврамович, Институт технической теплофизики Национальной Академии наук Украины, ведущий научный сотрудник, к.т.н. Область научных интересов: термический анализ, калориметрия, биотопливо, аккумулирования тепловой энергии. E-mail: [email protected]

Коринчевская Татьяна Владимировна, Институт технической теплофизики Национальной Академии наук Украины, научный сотрудник. Область научных интересов: аккумулирование тепловой энергии с применением материалов с фазовым переходом, термический анализ, калориметрия. E-mail: [email protected]

Воробьёв Леонид Иосифович, Институт технической теплофизики Национальной Академии наук Украины, ведущий научный сотрудник, к. т.н. Область научных интересов: приборы и методы измерения тепловых величин. E-mail: [email protected]

Декуша Леонид Васильевич, Институт технической теплофизики Национальной Академии наук Украины, заведующий отделом теплометрии, к.т.н. Область научных интересов: приборы и методы измерения тепловых величин. E-mail: [email protected]

ш ш

П

й,

&

Удельная теплоёмкость — урок. Физика, 8 класс.

Для того чтобы нагреть на определённую величину тела, взятые при одинаковой температуре, изготовленные из различных веществ, но имеющие одинаковую массу, требуется разное количество теплоты.

Пример:

Для нагревания \(1\) кг воды на \(1 \)°C требуется количество теплоты, равное \(4200\) Дж. А если нагревать \(1\) кг цинка на \(1\) °C, то потребуется всего \(400\) Дж. 

Удельная теплоёмкость вещества — физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать веществу массой \(1\) кг для того, чтобы его температура изменилась на \(1~°C\).
\([c]=1\frac{Дж}{кг \cdot °C}\).

Пример:

По таблице удельной теплоёмкости твёрдых веществ находим, что удельная теплоёмкость алюминия составляет \(c(Al)=920 \frac{Дж}{кг \cdot °C}\). Поэтому при охлаждении \(1\) килограмма алюминия на \(1\) градус Цельсия (\(°C\)) выделяется \(920\) джоулей энергии. Столько же необходимо для нагревания \(1\) килограмма на алюминия на \(1\) градус Цельсия (\(°C\)).

Ниже представлены значения удельной теплоёмкости для некоторых веществ.

 

Твёрдые вещества

Вещество

\(c\),

Дж/(кг·°С)

Алюминий

\(920\)

Бетон

\(880\)

Дерево

\(2700\)

Железо,

сталь

\(460\)

Золото

\(130\)

Кирпич

\(750\)

Латунь

\(380\)

Лёд

\(2100\)

Медь

\(380\)

Нафталин

\(1300\)

Олово

\(230\)

Парафин

\(3200\)

Песок

\(970\)

Платина

\(130\)

Свинец

\(120\)

Серебро

\(240\)

Стекло

\(840\)

Цемент

\(800\)

Цинк

\(400\)

Чугун

\(550\)

Сера

\(710\)

 

Жидкости

Вещество

\(c\),

Дж/(кг·°C)

Вода

\(4200\)

Глицерин

\(2400\)

Железо

\(830\)

Керосин

\(2140\)

Масло

подсолнечное

\(1700\)

Масло

трансформаторное

\(2000\)

Ртуть

\(120\)

Спирт

этиловый

\(2400\)

Эфир

серный

\(2300\)

 

Газы (при постоянном давлении и температуре \(20\) °С)

Вещество

\(c\),

Дж/(кг·°C)

Азот

\(1000\)

Аммиак

\(2100\)

Водород

\(14300\)

Водяной

пар

\(2200\)

Воздух

\(1000\)

Гелий

\(5200\)

Кислород

\(920\)

Углекислый

газ

\(830\)

 

Удельная теплоемкость реальных газов, в отличие от идеальных газов, зависит от давления и температуры. И если зависимостью удельной теплоемкости реальных газов от давления в практических задачах можно пренебречь, то зависимость удельной теплоемкости газов от температуры необходимо учитывать, поскольку она очень существенна.

 

Обрати внимание!

Удельная теплоёмкость вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях, различна.

Пример:

Вода в жидком состоянии имеет удельную теплоёмкость, равную \(4200\) Дж/(кг·°С), в твёрдом состоянии (лёд) — \(2100\) Дж/(кг·°С), в газообразном состоянии (водяной пар) — \(2200\) Дж/(кг·°С).

Вода — вещество особенное, обладающее самой высокой среди жидкостей удельной теплоёмкостью. Но самое интересное, что теплоёмкость воды снижается при температуре от \(0\) °С до \(37\) °С и снова растёт при дальнейшем нагревании (рис. 1).

 

Рис. 1. График удельной теплоемкости воды

 

В связи с этим вода в морях и океанах, нагреваясь летом, поглощает из окружающей среды огромное количество теплоты. А зимой вода остывает и отдаёт в окружающую среду большое количество теплоты. Данное явление оказывает на климат данного региона. Летом здесь нет изнуряющей жары, а зимой — лютых морозов.

 

Высокая удельная теплоёмкость воды нашла широкое применение в различных областях: от медицинских грелок до систем отопления и охлаждения.

 

Не задумывались ли вы, почему воду используют при тушении пожаров? Из-за большой теплоемкости. При соприкосновении с горящим предметом вода забирает у него большое количество теплоты. Оно значительно больше, чем при использовании такого же количества любой другой жидкости.

 

Помимо непосредственного отвода тепла, вода гасит пламя ещё и косвенным образом. Водяной пар, образующийся при контакте с огнём, окутывает горящее тело, предотвращая поступление кислорода, без которого горение невозможно.

Какой водой эффективнее тушить огонь: горячей или холодной? Горячая вода тушит огонь быстрее, чем холодная. Дело в том, что нагретая вода скорее превратится в пар, а значит, и отсечёт поступление воздуха к горящему объекту.

Источники:

Рис. 1. Автор: Epop — собственная работа, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=10750129.

Удельная теплоемкость воды | Учимся вместе

Вода имеет наибольшую теплоемкость среди жидкостей – 4,1868 кДж/кг, что почти вдвое превышает таковую растительных масел, ацетона, фенола, глицерина, спирта, парафина (теплоемкость    растительных     масел — 2,094, ацетона — 2,219, фенола — 2,345, метилового спирта — 2,345, глицерина—2,428, этилового, парафина 2,911).

Теплоемкость воды в 10 раз больше, чем у железа. У воды от 0оС до 37оС градусов теплоемкость снижается, а с 37оС градусов и выше – растет. Таким образом, легче всего вода нагревается и быстрее всего охлаждается при температуре 37оС градусов.

Например, воды — 4,1868, но льда — 2,00 и водяного пара—2,08 кДж/(кг • К).
 

Однако для льда она снижает более чем вдвое по сравнению с водой. Подобная картина, наблюдается и для теплоемкости пара. Это можно объяснить тем, что водородные связи легче искажаются и рвутся у воды в жидкой фазе с повышением температу­ры.

Поэтому молекулы, испытывающие колебания и пе­ремещения, начинают поглощать больше тепловой энергии для осуществления различных форм движения, чем молекулы Н2О во льду. Причем величина поглощаемой тепловой энергии с ростом температуры меняется в силу, очевидно, некоторых структурных преобразований.
 

При нагревании вещества теплоемкость, как прави­ло, возрастает.
Как только вся вода превращается в пар, её теплоёмкость опускается до 2,08, следовательно, теплоемкость водяного пара при­ближается к теплоемкости льда.

 

Известно, что теплоемкость во­ды минимальных значений достигает около 37 °С. Это нормальная температура тела че­ловека. Именно при температуре 36,6—37 °С сложней­шие биохимические реакции обмена веществ в организ­ме человека наиболее интенсивны. Значит, при этой тем­пературе организм человека находится выгодном энергетическом состоянии.

 

Высокая удельная теплоемкость воды позволяет избежать резкого перепада темпера­тур зимой и летом, ночью и днем, так как все континенты Земли окруже­ны гигантским регулятором, своеобразным термоста­том — водами мирового океана. Таким образом, летом мировой океан не дает Земле перегреваться, а зимой постоянно обеспечивает кон­тиненты теплом.

 

Большое значение в переносе тепла имеют океанские течения и мощные атмо­сферные потоки, содержащие значительное количество теплоты, поглощенной в процессе парообразования; т. е., при конденсации пара идет выделение тепла в эквивалентных количествах.

 

Земля в процессе конденсации водяного пара получает около 126•1018 кДж/год, при этом океанские течения дают 21•1018 кДж/год тепла.

Теплоаккумулирующая способность материалов | | Mensh.ru

Теплоаккумулирующая способность материалов, то есть способность материала удерживать тепло, оценивается удельной теплоемкостью, т. е. количеством тепла (в кДж), необходимым для повышения температуры одного килограмма материала на один градус. Например, вода имеет удельную теплоемкость, равную 4,19 кДж/(кг*K). Это значит, например, что для повышения температуры 1 кг воды на 1°K требуется 4,19 кДж.

Таблица 1. Сравнение некоторых теплоаккумулирующих материалов
Ма­те­ри­ал Плот­ность, кг/м3 Теп­ло­ем­кость, кДж/(кг*K) Ко­эф­фи­ци­ент те­пло­про­вод­нос­ти, Вт/(м*K) Мас­са ТАМ для те­пло­ак­ку­му­ли­ро­ва­ния 1 ГДж те­пло­ты при Δ= 20 K, кг От­но­си­тель­ная мас­са ТАМ по от­но­ше­нию к мас­се во­ды, кг/кг Объем ТАМ для те­пло­ак­ку­му­ли­ро­ва­ния 1 ГДж те­пло­ты при Δ= 20 K, м3 От­но­си­тель­ный объем ТАМ по от­но­ше­нию к объему во­ды, м33
Гранит, галька 1600 0,84 0,45 59500 5 49,6* 4,2
Вода 1000 4,2 0,6 11900 1 11,9 1
Глауберова соль (декагидрат сульфата натрия)* 14600т

1300ж
1,92т

3,26ж
1,85т

1,714ж
3300 0,28 2,26 0,19
Парафин* 786т 2,89т 0,498т 3750 0,32 4,77 0,4

Для водонагревательных установок и жидкостных систем отопления лучше всего в качестве теплоаккумулирующего материала применять воду, а для воздушных гелиосистем — гальку, гравий и т. п. Следует иметь в виду, что галечный теплоаккумулятор при одинаковой теплоаккумулирующей способности по сравнению с водяным теплоаккумулятором имеет в 3 раза больший объем и занимает в 1,6 раза большую площадь. Например, водяной теплоаккумулятор диаметром 1,5 м и высотой 1,4 м имеет объем 4,3 м3, в то время как галечный теплоаккумулятор в форме куба со стороной 2,4 м имеет объем 13,8 м3.

Плотность аккумулирования теплоты в значительной степени зависит от метода аккумулирования и рода теплоаккумулирующего материала. Она может быть аккумулирована в химически связанном виде в топливе. При этом плотность аккумулирования соответствует теплоте сгорания, кВт*ч/кг:

  • нефть — 11,3;
  • уголь (условное топливо) — 8,1;
  • водород — 33,6;
  • древесина — 4,2.

При термохимическом аккумулировании теплоты в цеолите (процессы адсорбции — десорбции) может аккумулироваться 286 Вт*ч/кг теплоты при разности температур 55°C. Плотность аккумулирования теплоты в твердых материалах (скальная порода, галька, гранит, бетон, кирпич) при разности температур 60°C составляет 14…17 Вт*ч/кг, а в воде — 70 Вт*ч/кг. При фазовых переходах вещества (плавление — затвердевание) плотность аккумулирования значительно выше, Вт*ч/кг:

  • лед (таяние) — 93;
  • парафин — 47;
  • гидраты солей неорганических кислот — 40…130.
Таблица 2. Сравнение удельной теплоемкости и плотности различных материалов на основе равных объемов
Ма­те­ри­ал Удель­ная те­пло­ем­кость, кДж/(кг*K) Плот­ность, кг/м3 Те­пло­ем­кость, кДж/(м3*K)
Вода 4,19 1000 4187
Металлоконструкции 0,46 7833 3437
Бетон 1,13 2242 2375
Кирпич 0,84 2242 1750
Магнетит, железная руда 0,68 5125 3312
Базальт, каменная порода 0,82 2880 2250
Мрамор 0,86 2880 2375

К сожалению, лучший из приведенных в таблице 2 строительных материалов — бетон, удельная теплоемкость которого составляет 1,1 кДж/(кг*K), удерживает лишь ¼ того количества тепла, которое хранит вода того же веса. Однако плотность бетона (кг/м3) значительно превышает плотность воды. Во втором столбце таблицы 2 приведены плотности этих материалов. Умножив удельную теплоемкость на плотность материала, получим теплоемкость на кубический метр. Эти величины приведены в третьем столбце таблицы 2. Следует отметить, что вода, несмотря на то, что обладает наименьшей плотностью из всех приведенных материалов, имеет теплоемкость на 1 м3 выше (2328,8 кДж/м3), чем остальные материалы таблицы, в силу ее значительно большей удельной теплоемкости. Низкая удельная теплоемкость бетона в значительной степени компенсируется его большой массой, благодаря которой он удерживает значительное количество тепла (1415,9 кДж/м3).

Информация об идее — Инновационный портал Ростовской Области

Название идеи:  Высокоэффективный аккумулятор теплоты

Краткое описание:  В индивидуальных тепловых пунктах в подавляющем большинстве случаев используются устройства накопления тепла. В системе отопления это делается чтобы котел работал в номинальном наиболее экономичном режиме: котел при номинальной мощности нагревает накопитель (буферную емкость) из которой разбирается тепло системой в том количестве в котором оно требуется, а котел периодически включается для подогрева емкости. Современные отопительные приборы, такие как теплые полы и фанкойлы доказали свою эффективность перед радиаторами. Поэтому современные системы отопления работают с наиболее оптимальной для данных приборов температурой 29-35 С. Однако остается необходимость в горячем водоснабжении, температуру которого отечественные СНиПы регламентируют не менее 55 С, что приводит к необходимости иметь дополнительную емкость (бойлер), воду в которой котел нагревает до более высокой температуры, чем в системе отопления. Все это оборудование занимает большое пространство и для некоторых потребителей это является серьезной проблемой. Например, для семьи из четырех человек, проживающих в доме 150 кв. м необходимая емкость бойлера составит минимум 300 л, а буферная емкость системы отопления 200 л, с учетом их обвязки и теплоизоляции весь тепловой пункт займет как минимум 6 кв. м, что равносильно полноценному санузлу. Предлагаемое нами устройство позволит сократить занимаемое пространство до 1,5 кв. м. В нашей стране есть регионы, где для регулирования суточной неравномерности потребления электроэнергии введены ночные тарифы на нее, которые значительно дешевле дневных. Люди, отапливающиеся электричеством, накапливают тепловую энергию в аккумулирующих емкостях ночью, когда она дешевле, и используют днем для отопления, однако существующие водяные аккумуляторы теплоты не способны накопить столько, чтобы полностью покрыть дневное потребление на отопление из-за своей громоздкости. Наша разработка позволит при том же объеме аккумулятора теплоты накапливать в 4,5 раза больше тепловой энергии, что позволит больше экономить на отоплении электричеством используя дешевый ночной тариф. Последнее время стала широко развиваться возобновляемая энергетика, в том числе гелиосистемы, использующие солнечную энергию для нагрева воды и использования ее в дальнейшем для отопления и горячего водоснабжения. Наш высокоэффективный аккумулятор теплоты позволит накапливать в светлое время энергию солнца в составе гелиоустановки и выдавать ее в систему отопления и горячего водоснабжения, когда необходимо и в том числе и ночью. На сегодняшний день известны аккумуляторы тепла, работающие на эффекте теплоемкости разных веществ: щебень, камни, вода и др. Наиболее теплоемким и дешевым накопителем является вода. Однако процесс теплоемкостного аккумулирования ограничен температурным режимом. Поэтому последнее время больше внимания уделяется аккумуляторам, работающим на эффекте фазового перехода, при постоянной температуре. Они обладают большей теплоемкостью, чем может обеспечить вода. Наиболее распространенными теплоносителоями для аккумуляторов фазового перехода стали глауберова соль и парафин, за счет свое доступности, дешевизны и высокой теплоемкости. Однако у современных аккумуляторов на фазовом переходе соли есть ряд проблем: • Глауберова соль имеет большую теплоемкость фазового перехода (эквивалент 5-ти объемов воды), но имеет низкую температуру фазового перехода 32. 2 С и не может быть использована в системе ГВС. • Парафин имеет температуру фазового перехода 45-60 С и может использоваться для системы ГВС, но имеет более низкую теплоту фазового перехода и может заменить 1.3 – 2 объема воды, к тому же он дороже. • Парафин и глауберова соль имеют очень низкий коэффициент теплопроводности, что затрудняет отдачу от него теплоты теплоносителю. Поэтому мы предлагаем собственную конструкцию аккумулятора тепла, которая позволит обеспечить температурный режим до 60 С, необходимый для осуществления ГВС, и при этом сокращает объема аккумулятора до 3-4.5 раз по сравнению с водяным, при том что существующий аналог снижает объем только в 1.3-2. Данный эффект достигается тем что большая часть энергии храниться при низкой температуре перехода глауберовой соли 32 С, а часть энергии необходимой для догрева воды до температуры 45-60 С храниться в парафине. Теплоемкая глауберова соль замещает больше половины объема всей необходимой энергии. Этим достигается существенное сокращение объемов аккумулятора. Т.е. одновременно используется большая теплоемкость глауберовой соли и высокий температурный потенциал парафина. НОВИЗНА: Разработка и создание устройства, аккумулирующего тепловую энергию для нужд отопления и горячего водоснабжения, обладающего габаритами в 4,5 раза меньшими, чем имеющиеся на рынке, при равных тепловых емкостях. Впервые предлагается использовать комбинацию веществ работающих на эффекте фазового перехода для разграничения зон с разными температурами и количеством тепловой энергии для разных потребителей, что позволит иметь высокий температурный потенциал и энергоемкость, превышающую все известные на рынке аналоги. Впервые предлагается конструкция аккумулятора теплоты работающего на эффекте фазового перехода, где высокотемпературная зона предназначенная для подогрева горячего водоснабжения отделена от низкотемпературной зоны, предназначенной для отопления, что позволяет для низкотемпературной зоны использовать дешевую и энергоемкую глауберову соль, а только часть энергии нужной для горячего водоснабжения хранить в менее энергетически эффективном, но в более высокотемпературном веществе. Впервые предлагается разработать высокоэффективный компактный аккумулятор теплоты, габариты которого, как минимум в 4,5 раза, меньше наиболее распространенного на рынке водяного аккумулятора теплоты. СТАДИЯ РАЗРАБОТКИ: В рамках программы СТАРТ был проведен НИР, получена конструкторская документация и собран опытный образец аккумулятора. Состояние проекта на данный момент (что уже сделано по проекту) : Был выполнен и сдан 1-й этап по программе СТАРТ по теме «Разработка и изготовление опытного образца компактного аккумулятора теплоты» Отчет 1 этапа о НИОКР по теме «Разработка и изготовление опытного образца компактного аккумулятора теплоты» в рамках договора № 608ГС1/15774 (код 0015774) от 04 августа 2015 г., заявка № 2014-1-02395, конкурс Старт-15-1 включает: -предварительные расчеты оптимальной тепловой мощности аккумулятора теплоты для различных потребителей; -математическая модель работы высокоэффективного аккумулятора теплоты; -эскизный проект высокоэффективного аккумулятора теплоты. В рамках эскизного проектирования высокоэффективного аккумулятора теплоты было выполнено: — сформулированы исходные данные для проектирования; — разработана принципиальная тепловая схема аккумулятора тепла; — описаны физические процессы, происходящие в аккумуляторе тепла; — определены объемы накопленной энергии; — определены массы и объемы теплоаккумулирующих веществ; — определены габариты аккумулятора тепла; — рассчитана площадь теплообмена зон аккумулятора тепла; — приведены результаты расчета аккумулятора тепла; — выполнены чертежи высокоэффективного аккумулятора тепла: схема энергетическая принципиальная и габаритный чертеж. По заявленной тематике был выигран конкурс на право получения стипендии Президента Российской Федерации молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям российской экономики на 2015-2017 годы № СП-2340.2015.1. В рамках выполнения исследований по стипендии был сдан первый этап отчетности: Отчет 1 этапа о НИР «Использование разности среднесезонных температур для автономного теплоснабжения, электроснабжения и кондиционирования». В рамках данного этапа рассматривались вопросы о высокоэффективном аккумулировании тепла, в частности было получено: — был проведен анализ тепловых потенциалов теплового времени года различных регионов Российской федерации; — проанализированы способы улавливания теплового потенциала; — оценена возможность и разработаны способы аккумулирования теплового потенциала в виде теплоты фазового перехода различных солей, углеводородов и других веществ; — оценена возможность и разработаны способы аккумулирования теплового потенциала в виде химических связей; — выбраны наиболее оптимальные теплоаккумулирующие вещества, проведен расчет необходимого их количества для обеспечения потребностей индивидуального жилого дома; — разработана эскизная конструкторская документация на прототип высокоэффективного аккумулятора тепла; — разработана программа и методика проведения испытаний высокоэффективного аккумулятора тепла; — изготовлен прототип высокоэффективного аккумулятора тепла; — проведены испытания высокоэффективного аккумулятора тепла. Описание продукта, который будет продаваться на рынке: В первый год проекта получен экспериментальный образец высокоэффективного аккумулятора теплоты, с тепловой емкостью 26 кВт*ч, с температурой подачи на горячее водоснабжение 55 С, с температурой на отопление 30 С, объемом рабочего тела 112 л (аналог бойлера 500 л, температурой нагрева с 10 С до 55 С). Планируется производство аккумуляторов теплоты, тепловой емкостью соответствующим водяным аналогам на 100 л., 300 л., 500 л., 1000 л. Данные аккумуляторы будут иметь объем 23л., 67 л., 112 л., 223 л. соответственно. Контакты разработчика: Папин Владимир Владимирович 8-904-441-06-48 [email protected]

Отрасль:  Строительство

Возможности реализации идеи:  Поэтапная реализация

Риски для внедрения:  Средние риски

Тематика:  Строительство

Измерение удельной теплоемкости парафинового воска с использованием метода удельной теплоемкости

Какова удельная теплоемкость парафинового воска?

Для определения удельной теплоемкости парафинового воска недавно был многократно измерен образец (, изображенный в стандартной ячейке TPS) на удельную теплоемкость (Дж / кг · К) при 19,5 ° C с использованием TPS Система измерения теплопроводности 2500 S и источник переходной плоскости (TPS) Метод анализа удельной теплоемкости .

Дифференциальная сканирующая калориметрия (ASTM E1269-11) — это стандартный метод измерения удельной теплоемкости, включающий нагрев небольшого тестового образца (миллиграммы) с контролируемой скоростью нагрева (° C / мин) в контролируемой атмосфере в интересующей температурной области. . Разница в тепловом потоке в исследуемом образце и контрольном материале или заготовке из-за изменений энергии в материале постоянно отслеживается и регистрируется.

Напротив, метод анализа удельной теплоемкости TPS имеет две ячейки удельной теплоемкости разного размера, каждая из которых позволяет измерять образцы гораздо большего размера, чем с помощью DSC.Стандартная ячейка вмещает тестовые образцы диаметром до 19 мм и толщиной 5 мм, а большая ячейка вмещает тестовые образцы диаметром до 40 мм и толщиной 10 мм. Ячейки изготовлены из материала с высокой теплопроводностью и окружены теплоизолирующей подложкой. Во время измерений на ячейку подается постоянная выходная мощность, которая вызывает нагрев, и повышение температуры регистрируется по увеличению сопротивления датчика ячейки. Типичное время испытания составляет 40 секунд или больше при интересующей температуре.

Как мы измерили удельную теплоемкость парафинового воска?

Во время измерений собираются, анализируются 200 точек данных и сообщаются результаты. Более крупные образцы для испытаний упрощают подготовку и лучше обеспечивают представление основной пробы для измерений. Проведение измерений в течение определенного периода измерения при интересующей температуре дает преимущество более надежного измерения удельной теплоемкости.

Всего было проведено четыре измерения с использованием метода удельной теплоемкости TPS, чтобы подчеркнуть воспроизводимость измерений.Результаты средней удельной теплоемкости сравниваются с литературными значениями.

Удельная теплоемкость парафинового воска при 19,5 ° C с использованием системы термических свойств TPS 2500 S

Среднее значение Cp (Дж / кг · К) Плотность окружающей среды (кг / м 3 ) RSD (%) Литература Cp (Дж / кг · K) * Литература Плотность (кг / м 3 ) *
2144. 1 869,4 1,7 2140-2900 800-900

Примечания: Cp — удельная теплоемкость; RSD — относительное стандартное отклонение. Параметры испытаний включали время испытания 40 секунд и мощность 0,08 Вт, подаваемую на теплообменник TPS при температуре измерения 19,5 ° C.

Результаты измерений плотности окружающей среды и удельной теплоемкости показывают хорошее соответствие с литературными значениями, а средние результаты удельной теплоемкости имели отличную воспроизводимость ± 1.7%.

коэффициентов

коэффициентов
Дом Предположения Коэффициенты Расчеты Обзор Источники
Несколько значений необходимы для оценки жизнеспособности системе, каждое значение будет сопровождаться его источником, описанием или короткое уравнение, выводящее его.
  • Площадь: A = 70,57 м 2 (1)
  • Температура внутри призмы: T призма = 300K (комнатная температура, эквивалентная 80 o F. )
  • Температура окружающей среды: T amb = 250K (теплый день в Фэрбенкс, AK. Эквивалент -10 o F.)
  • Метрическое термическое сопротивление: R м = 3,52 м 2 К / Вт (2)
  • Теплопроводность парафина: K воск = 0,25 Вт / мК (3)
  • Термостойкость парафина: R воск = 0,4 Вт / м 2 K (где R = L / K, а L равно 10 см.)
  • Температура плавления парафинового воска: F воск = 310 K (5)
  • Удельная теплоемкость жидкого парафина: C воск = 2,9 КДж / кг (5) (Примечание: удельная теплоемкость жидкости и твердого парафиновые воски не сильно различаются между 300К и 340К (4))
  • Скрытая теплота плавления для парафина: Cf воск = 200 кДж / кг (5)
  • Время работы: t = 5400 с (полтора часа операция. Это произвольное значение.)
  • Плотность парафина: D воск = 0,93 г / см 3 (4)
  • Рабочая высокая температура: T высокая = 340K ( точка, ниже которой теплоемкость парафинового воска начинает увеличиваться за счет плавления.) (4)
  • Рабочая низкая температура: T низкая = 300K (точка при котором тепловой градиент между резервуаром и призмой равен 0.Хотя резервуар будет служить для гашения потери тепла до тех пор, пока система находится при температуре окружающей среды, в этот момент система не будет дольше оставаться на 300K только из-за проводимости.)

(PDF) Теплофизическое сравнение пяти промышленных парафиновых восков в качестве материалов для хранения скрытого тепла

м-масса ПКМ, использованного в эксперименте ДСК, г

ПК-персональный компьютер

ПКМ-материал с фазовым переходом

q-кумулятивная теплота фазы превращения

парафиновых восков, Дж г – 1

Q-объемный расход, мл мин – 1

R-радиус образца, мм

r-радиальный размер

T-абсолютная температура, K

&

Скорость нагрева или охлаждения при измерении ДСК,

K мин – 1

t-время, с

v-удельный объем, см3g – 1

греческие обозначения:

l-теплопроводность, Вт · м– 1 K – 1

r-плотность, г см – 3

s-стандартное отклонение температурной характеристики,

° C

Jm-температура плавления (соответствует началу пика плавления

DSC), ° C

Js — температура затвердевания (соответствует

900 04 отделение кривой теплового потока DSC от базовой линии

в процессе охлаждения), ° C

Jt — температура перехода, соответствующая отделению —

отрыв кривой теплового потока DSC от базовой в

ходе нагрева, ° C

F-удельный тепловой поток, Вт · г – 1

j-объемное тепловыделение или поглотитель, Вт · м – 3

Литература

1. Фарид М. М., Худхаир А. М., Разак С. А. К., Аль-Халладж,

S., Energ. Беседы. Управлять. 45 (2004) 1597.

2. Тьяги, В. В., Буддхи, Д., Renew. Sust. Energ. Rev. 11

(2007) 1146.

3. Kurajica, S., TehnoEko 4 (2007) 14. (на хорватском языке)

4. Zalba, B., Marin, JM, Cabeza, LF, Mehling, H ., Прил.

Терм. Англ. 23 (2003) 251.

5. Химран С., Сувоно А., Мансури Г. А., Energ. Источник

16 (1994) 117.

6.Бану Д., Фельдман Д., Хавс Д., Thermochim. Acta 17

(1998) 117.

7. Чо К., Чой С. Х., Int. J. Heat Mass Tran. 64 (2000) 37.

8. Шарма А., Шарма С. Д., Буддхи Д., Энерг. Беседы.

Управлять. 43 (2002) 1923.

9. Акгун М., Айдын О., Кайгусуз К., Энерг. Беседы. Мужчина —

возраст. 48 (2007) 669.

10. Гу, З., Лю, Х., Ли, Ю., Appl. Therm. Англ. 24 (2004) 2511.

11. Abhat, A., Sol. Энергия 30 (1983) 313.

12.Сасагучи, К., Висканта, Р., J. Energy Resources Technol.

111 (1989) 43.

13. Динсер, И., Розен, Массачусетс, Накопление тепловой энергии, Системы

и приложения, John Wiley & Sons, Chichester Eng-

land, 2002.

14. Lane , GA, Int. J. Ambient Energy 1 (1980) 155.

15. Heckenkamp, ​​J., Baumann, H., Latentwarmespeicher,

Sonderdruck aus Nachrichten 11 (1997) 1075.

16. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology,

Третье издание, т.24, John Wiley & Sons, New York,

1979, стр. 473–476.

17. Технический бюллетень — парафин Shell и микрокристаллический

Воски: SHELLWAX® и SHELLMAX®, Shell Lubri-

cants, октябрь 2000 г.

18. North American Combustion Handbook, Second Edition,

North American Mfg. Co ., Кливленд, Огайо, 1978, стр. 362.

19. Свойства неметаллических твердых тел, расчет мощности

Формулы — плавление парафина, Hotwatt Inc., Данверс, Массачусетс,

Нагреватели для любого применения, www.hotwatt. com

20. Chevron Refined Waxes, Chevron Lubricants, 2002.

21. Buddhi, D., Sharma, A., Ramchandra, R., Balpande, A.,

IEA, ECESIA Annex 17, Advanced Thermal энергоаккумулятор —

возраст через материалы с фазовым переходом и химические реакции —

— технико-экономические обоснования и демонстрационные проекты, 4-й семинар

, 21–24 марта 2003 г., Индор, Индия.

22. Хаминс, А., Банди, М., Диллон, С. Э., Журнал Fire Pro-

tection Engineering 15 (2005) 265.

23. Хаджи-Шейх А., Эфтехар Дж., Лу Д. Ю., Vol. 82–0846,

Конференция: совместная конференция AIAA / ASME по жидкостям,

плазме, теплофизике и теплопередаче, Сент-Луис, Миссури,

США, 7 июня 1982 г., стр. 1–7.

24. Ману А., Хенсель Э., Одномерная двухфазная подвижная граничная задача

, HTD, Phase Change Heat Transfer,

ASME 159 (1991) 97.

25. Carslaw, HS, Jaeger, JC, Проводимость тепла в Sol-

ID, 2-е изд., Oxford University Press, London, 1959.

26. Bairi, A., Laraqi, N., Garcia de Maria, J.M., J. Food Eng.

78 (2007) 669.

27. Украинчик Н., Инт. J. Heat Mass Transf. 59 (2009) 5675.

28. Украинчик Н., Матусинович Т., Джем. Concr. Res. 40

(2010) 128.

29. Какач, С., Йенер, Ю., Теплопроводность, 2-е изд., Лондон,

, 1985.

30. Скил, Р.Д., Берзиньш, М., Journal on Научные и статистические —

tical Computing 11 (1990) 1.

31. Шампин Л. Ф., Райхельт М. В., SIAM Journal on Scien-

tific Computing 18 (1997) 1.

32. Крейг, Р. Г., Пауэрс, Дж. М., Пейтон, Ф. А., Дж. Дент. Res. 46

(1967) 1090.

33. Чаженгина С.Ю., Котельникова Е.Н., Филиппова И.В.,

Филатов С.К., J. Mol. Struct. 647 (2003) 243.

34. Аркар, С., Медведь, С., Thermochim. Acta 438 (2005) 192.

35. Финке, Х. Л., Гросс, М. Э., Уоддингтон, Г., Хаффман, Х.

M., J. Am. Chem. Soc. 20 (1954) 333.

36. Парафиновый продукт, свойства, технологии, применения,

Freund, M. Csikós, R., Keszthelyi, S., Mózes, Gy., In

Mózes, Gy. (Ed), Developments in Petroleum Science 14,

Elsevier, Amsterdam, 1982.

37. Vikram, D., Kaushik, S., Prashanth, V., Nallusamy, N.,

Proceedings of the International Conference on Возобновляемая энергия

Энергия для развивающихся стран-2006.

(http: // cere.udc.edu/An%20Improvement%20In%20The%20

Solar% 20Water% 20Heating% 20Systems% 20Using% 20

Phas.pdf)

38. Ren-Chen, C., Sharma, A., Lan, NV, Phase Change Ma-

terials- a Road Map

(http://www2.ksu.edu.tw/ksuME/ISEM/files/3eGBIC)

39. Sari, A., Appl. Therm. Англ. 23 (2003) 1005.

40. Хаджиева М., Стойков Р., Филипова Т., Renew. Energ. 19

(2000) 111.

41. Farid, M. M., Chen, X. D., Proc. Inst.Мех. Англ. 213

(1999) 83.

42. Lin, K., Zhang, Y., Xu, X., Di, H., Yang, R., Qin, P., Energ.

Buildings 37 (2005) 215.

N. UKRAINCZYK et al. , Теплофизическое сравнение пяти товарных парафинов…, Chem. Biochem. Англ. Q. 24 (2) 129–137 (2010) 137

Удельная теплоемкость некоторых жидкостей

Удельная теплоемкость некоторых обычно используемых жидкостей и текучих сред приведена в таблице ниже.

Для преобразования единиц используйте онлайн-конвертер единиц удельной теплоемкости.

См. Также табличные значения удельной теплоемкости газов, пищевых продуктов и продуктов питания, металлов и полуметаллов, обычных твердых веществ и других обычных веществ, а также значения молярной теплоемкости обычных органических и неорганических веществ.

Гидрат калия 7 1,30 Тулуол
Продукт Удельная теплоемкость
c p
(кДж / (кг · К)) (БТЕ / (фунт) o)
(Ккал / кг o C)
Уксусная кислота 2. 043 0,49
Ацетон 2,15 0,51
Спирт этиловый 32 o F (этанол) 2,3 0,548
Спирт этиловый 104 o F (этанол ) 2,72 0,65
Спирт метиловый. 40-50 o F 2,47 0,59
Спирт метиловый. 60 — 70 o F 2.51 0,6
Спирт, пропил 2,37 0,57
Аммиак, 32 o F 4,6 1,1
Аммиак, 104 o F 4,86 ​​ 1,16
Аммиак, 176 o F 5,4 1,29
Аммиак, 212 o F 6,2 1,48
Аммиак 238 o F 6.74 1,61
Анилин 2,18 0,514
Асфальт жидкий 2,09 0,5
Бензол, 60 o F 1,8 0,43
Бензол , 150 o F 1,92 0,46
Бензин 2,1
Бензол 1,8 0,43
Висмут, 800 o F 0. 15 0,0345
Висмут, 1000 o F 0,155 0,0369
Висмут, 1400 o F 0,165 0,0393
Бром 0,47 0,11 900
н-бутан, 32 o F 2,3 0,55
Хлорид кальция 3,06 0,73
Дисульфид углерода 0.992 0,237
Тетрахлорид углерода 0,866 0,207
Касторовое масло 1,8 0,43
Хлороформ 1,05 0,251
Цитроновое масло 0,44
Декан 2,21 0,528
Дифениламин 1,93 0,46
Додекан 2.21 0,528
Dowtherm 1,55 0,37
Эфир 2,21 0,528
Этиловый эфир 2,22 0,529
Этиленгликоль 6 2,36
Дихлордифторметан R-12 насыщенный -40 o F 0,88 0,211
Дихлордифторметан R-12 насыщенный 0 o F 0. 91 0,217
Дихлордифторметан R-12 насыщенный 120 o F 1,02 0,244
Мазут мин. 1,67 0,4
Мазут макс. 2,09 0,5
Бензин 2,22 0,53
Глицерин 2,43 0,576
Гептан 2.24 0,535
Гексан 2,26 0,54
Хлористоводородная кислота 3,14
Йод 2,15 0,51
Керосин 2,01 0,4 Льняное масло 1,84 0,44
Светлое масло, 60 o F 1,8 0,43
Светлое масло, 300 o F 2.3 0,54
Ртуть 0,14 0,03
Метиловый спирт 2,51
Молоко 3,93 0,94
Нафталин
1,72 0,4 Азотная кислота 1,72
Нитробензол 1,52 0,362
Октан 2. 15 0,51
Масло касторовое 1,97 0,47
Масло оливковое 1,97 0,47
Масло минеральное 1,67 0,4
Масло скипидарное 1,8
Масло растительное 1,67 0,4
Оливковое масло 1,97 0,47
Парафин 2.13 0,51
Перхлор этилен 0,905
Нефть 2,13 0,51
Петролейный эфир 1,76
Фенол 1,43 0,34 3,68 0,88
Пропан, 32 o F 2,4 0,576
Пропилен 2.85 0,68
Пропиленгликоль 2,5 0,60
Кунжутное масло 1,63 0,39
Натрий, 200 o F 1,38 0,33
Натрий , 1000 o F 1,26 0,3
Натрия гидрат 3,93 0,94
Соевое масло 1. 97 0,47
Серная кислота концентрированная 1,38
Серная кислота 1,34
Толуол 1,72 0,41
Трихлорэтилен 1,51 0,36
Скипидар 1,72 0,411
Вода пресная 4.19 1
Вода, море 36 o F 3,93 0,938
Ксилол 1,72 0,41
  • 1 кДж / (кг K) = 1000 Дж / (кг o C) = 0,2389 ккал / (кг o C) = 0,2389 Btu / (фунт м o F)
  • T ( o C) = 5/9 [T ( o F) — 32]

Для преобразования единиц используйте онлайн-конвертер единиц удельной теплоемкости.

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

Энергия нагрева

Энергия, необходимая для нагрева продукта, может быть рассчитана как

q = c p m dt (1)

, где

q = необходимое количество тепла (кДж)

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

dt = разница температур (K, o C)

Пример — Требуемое тепло для повышения температуры i Вода

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

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

= 3352 кДж

Составной парафиновый воск (FDB020185)

в основе жевательной резинки, адгезивный компонент, покрытия, глазурь (Япония) Жидкий парафин или минеральное масло представляет собой смесь более тяжелых алканов и имеет ряд названий, включая нуйол, адепсиновое масло, альболин, глимол, лекарственный парафин, саксол или минеральное масло USP. Его плотность составляет около 0,8 г / см3. Жидкий парафин (лекарственный) используется для помощи при опорожнении кишечника у людей, страдающих хроническим запором; он проходит через желудочно-кишечный тракт, не попадая в организм, но ограничивает количество воды, удаляемой из стула. В пищевой промышленности, где он может называться «воск», его можно использовать в качестве смазки при механическом перемешивании, наносить на формы для выпечки, чтобы гарантировать, что хлеб легко высвобождается при приготовлении, и как покрытие для фруктов или других предметов, требующих « блестящий «внешний вид» выставлен на продажу.Его часто используют в инфракрасной спектроскопии, так как он имеет относительно несложный ИК-спектр. Когда тестируемый образец превращается в малярку (очень густую пасту), добавляется жидкий парафин, чтобы его можно было распределить по прозрачным (для инфракрасного излучения) монтажным пластинам для тестирования; Парафиновый воск (C25H52) — отличный материал для хранения тепла, имеющий удельную теплоемкость 2,14-2,9 Дж · г · 1 · К · 1 (джоуль на грамм на кельвин) и теплоту плавления 200-220 Дж · г · 1. Это свойство используется в модифицированном гипсокартоне для домашнего строительного материала: он вводится в гипсокартон во время производства, так что при установке он плавится в течение дня, поглощая тепло, и снова затвердевает ночью, выделяя тепло.Охлаждение парафинового парафина с фазовым переходом в сочетании с выдвижными радиаторами использовалось для охлаждения электроники лунного вездехода. Воск значительно расширяется при плавлении, что позволяет использовать его в термостатах промышленного, бытового и, особенно, автомобильного назначения. Парафин — один из нескольких допустимых восков для свечей, используемых в еврейском ритуале меноры .; Чистый парафин — отличный электроизолятор с удельным электрическим сопротивлением от 1013 до 1017 Ом · м. Это лучше, чем почти все другие материалы, за исключением некоторых пластиков (особенно тефлона).Это эффективный замедлитель нейтронов, который использовался в экспериментах Джеймса Чедвика в 1932 году для идентификации нейтрона. Парафин содержится во многих продуктах, среди которых авокадо, укроп, сахарное яблоко и сметанное яблоко.
Информация о записи
Версия 1.0
Дата создания 2010-04-08 22:14:51 UTC
Дата обновления 2019-11-26 03:18:36 UTC
Первичный идентификатор FDB020185
Вторичные регистрационные номера Недоступно
Химическая информация
FooDB Name Парафиновый воск 6
Номер CAS 8002-74-2
Структура

Синонимы I Chlorphen 3636 -36-химический термин 9044
Синоним Источник
I Chlorphen
N ‘- (4-хлор-2-метилфенил) -N, N-диметилформамидин ChEBI
N’ — (4-хлор-2-метилфенил) -N, N-диметилметанимидамид ChEBI
N ‘- (4-хлор-O-толил) -N, N-диметилформамидин ChEBI
N (2) — (4-хлор-O-толил) -N (1), N (1) -диметилформамидин ChEBI
Кристаллический нефтяной воск db_source
FEMA 3216 db_source
Парафин Фишера-Тропша db_source
db_source
089
Прогнозируемые свойства
Химическая формула C10h23ClN2
Название IUPAC (E) -N ‘- (4-хлор-2-метилфенил) -N, N-диметилметанимидамид
Идентификатор InChI InChI = 1S / C10h23ClN2 / c1-8-6-9 (11) 4-5-10 (8) 12-7-13 (2) 3 / h5-7H, 1-3h4 / b12-7 +
Ключ InChI STUSTWKEFDQFFZ-KPKJPENVSA-N
Изомерные УЛЫБКИ [H] \ C (= N / C1 = CC = C (Cl) C = C1C) N (C) C
Средний молекулярный вес 196. 68
Моноизотопный молекулярный вес 196.0767261
Классификация
Описание Относится к классу органических соединений, известных как хлорбензолы. Хлорбензолы представляют собой соединения, содержащие один или несколько атомов хлора, присоединенных к бензольному фрагменту.
Kingdom Органические соединения
Супер-класс Бензоиды
Класс Бензол и замещенные производные
Подкласс Галобензолы
Халобензолы
Непосредственный родитель Альтернативные источники
Заместители
  • Толуол
  • Хлорбензол
  • Арилхлорид
  • Арилгалогенид
  • Амидин
  • Формамидин
  • Органическое 1,3-диполярное соединение
  • 1,3-диполярное органическое соединение пропаргильного типа
  • Амидин карбоновой кислоты
  • Органическое соединение азота
  • Галогенорганическое соединение
  • Хлоридорганический
  • Азоторганическое соединение
  • Производное углеводородов
  • Органопниктогенное соединение
  • Ароматическое гомомоноциклическое соединение
Молекулярный каркас Ароматические гомомоноциклические соединения
Внешние дескрипторы
Онтология
Химическая онтология 9
Физико-химические свойства — экспериментальные 9 Spectra EMB ID Доступно Ontology 1 900 VMH ID 6
  • 20. Флёхаус П., Годшалк Б., Стобер И., Блюм П. Применение накопления тепловой энергии в водоносных горизонтах во всем мире — обзор. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 2018; 94: 861–76.
  • 21. Schüppler S, Fleuchaus P, Blum P. Технико-экономический и экологический анализ хранилища тепловой энергии водоносного горизонта (ATES) в Германии. Geotherm Energy 2019.
  • 22. Hasnain SM. Обзор подходящих технологий аккумулирования тепловой энергии — Часть 1: материалы и методы аккумулирования тепла.Преобразование энергии и управление. 1998. 39: 1127–38.
  • 23. Socaciu LG. Сезонные разумные решения для хранения тепловой энергии. Электронный журнал практик и технологий Леонардо. 2011; 19: 49–68.
  • 24. Соренсен П.А., Шмидт Т. Проектирование и строительство крупномасштабных тепловых накопителей для систем центрального отопления в Дании. В: 14-я Международная конференция по хранению энергии. Адана, Турция: EnerSTOCK2018; 2018.
  • 25. Вилласмил В., Фишер Л.Дж., Ворличек Дж.Обзор и оценка теплоизоляционных материалов и методов для систем хранения тепловой энергии. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 2019; 103: 71–84.
  • 26. Охс Ф., Хайдеманн В., Мюллер-Штайнхаген Х. Сезонное накопление тепловой энергии: сложное применение геосинтетических материалов. В: 4-я Европейская конференция по геосинтетике. Эдинбург: Eurogeo4; 2008.
  • 27. Охс Ф. Stand der Technik erdvergrabener Wärmespeicher: FFG store4grid; 2013.
  • 28.Bodmann M, Fisch N. Solarthermische Langzeit-Wärmespeicherung. В: Eurosolar 2003. Вупперталь; 2003.
  • 29. Хане Э. Солнечная система отопления ITW: олдтаймер в действии. Солнечная энергия. 2000; 69: 469–93.
  • 30. Mattheess A, Stange P, Hülser A, Rühling K. GREEN HEAT3: Entwicklung Innovativer Energieversorgungstechniken und -strukturen mit Kernkomponenten modularer Großwärmespeicher und Maxianlage Solarthermie. В:; 13.-15.06.2018; Клостер Банц, Бад-Стаффельштейн; 13.-15.06.2018. п. 389–401.
  • 31. Бодманн М, Фиш МН. Solar unterstützte Nahwärmeversorgung-Pilotprojekte Hamburg, Hannover und Steinfurt. В:; 17.-18.06.2004; Брауншвейг; 17.-18.06.2004. п. 2004.
  • 32. Schlosser M, Heuer M, Fisch MN. Langzeitmonitoring solar unterstützte Nahwärmeversorgung Hamburg-Bramfeld. В:; 25.07.2007; 2007.
  • 33. Эллехауге К., Педерсен Т. Солнечные аккумуляторы тепла в сетях централизованного теплоснабжения; 2007.
  • 34.Хеллер А. 15 лет исследований и разработок в области центрального солнечного отопления в Дании. Солнечная энергия. 2000. 69: 437–47.
  • 35. Мангольд Д., Рааб С., Мюллер-Штайнхаген Х. Saisonale Wärmespeicherung in solaren Großanlagen – Status und Perspektiven. В:; 27.06.2003; Фрайбург; 27.06.2003. п. 1–9.
  • 36. Ochs F, Heidemann W, Müller-Steinhagen H. Langzeit-Wärmespeicher für solare unterstützte Nahwärmesysteme. В:; 2007; Бонн; 2007.
  • 37. Мангольд Д.Erfahrungen und Ergebnisse aus der Umsetzung der Bundesforschungsprogramme Solarthermie-2000 und Solarthermie2000plus. Ганновер: Target GmbH; 2006.
  • 38. Беннер М., Малер Б., Мангольд Д., Шмидт Т., Шульц М., Зейвальд Х. и др. Solar unterstützte Nahwärmeversorgung mit und ohne Langzeit-Wärmespeicher: Forschungsbericht zum BMBF / BMWi-Vorhaben, 329606, ноябрь 1998 г. — январь 2003 г. Штутгарт; 2003.
  • 39. Бай И, Ван З, Фан Дж, Ян М., Ли Х, Чен Л. и др.Численное и экспериментальное исследование подземного водоема для сезонного хранения тепла. Возобновляемая энергия. 2020; 150: 487–508.
  • 40. Кенисарин М., Махкамов К. Хранение солнечной энергии с использованием материалов с фазовым переходом. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 2007; 11: 1913–65.
  • 41. Ройон Л., Гиффант Г. Теплообмен в парафиновой эмульсии масло / вода с явлением переохлаждения. Преобразование энергии и управление. 2001; 42: 2155–61.
  • 42. Сеттеруолл Ф, Александерсон К.Материалы с фазовым переходом и химические реакции для хранения тепловой энергии: современное состояние, 1996 г. Токи, Япония; 1996.
  • 43. Абхат А. Низкотемпературное скрытое тепловое накопление тепловой энергии. Солнечная энергия. 1983; 30: 313–32.
  • 44. Фарид М.М., Худхаир А.М., Разак С.А.К., Аль-Халладж С. Обзор накопления энергии с фазовым переходом: материалы и приложения. Преобразование энергии и управление. 2004. 45: 1597–615.
  • 45. Акгюн М., Айдын О, Кайгусуз К.Экспериментальное исследование характеристик плавления / затвердевания парафина как ПКМ. Преобразование энергии и управление. 2007. 48: 669–78.
  • 46. He B, Setterwall F. Технические парафиновые воски в качестве материалов с фазовым переходом для холодного хранения тепла и оценки капитальных затрат систем охлаждения. Преобразование энергии и управление. 2002; 43: 1709–23.
  • 47. Urbaneck T, Platzer B, Schirmer B. Berechnung von Kies-Wasser-Speichern. В: 26.04.2002 г .; Регенсбург; 2002 г.
  • 48. Чо К, Чой Ш. Тепловые характеристики парафина в сферической капсуле в процессах замораживания и плавления. Международный журнал тепломассообмена. 2000; 43: 3183–96.
  • 49. Jesumathy SP, Udayakumar M, Suresh S. Характеристики теплопередачи в системе хранения скрытой теплоты с использованием парафинового воска. Журнал механических наук и технологий. 2012; 26: 959–65.
  • 50. Трп А. Экспериментальное и численное исследование теплообмена при плавлении и затвердевании технических парафинов в кожухотрубном накопителе скрытой тепловой энергии.Солнечная энергия. 2005; 79: 648–60.
  • 51. Эттуни Х., Алатики И., Аль-Сахали М., Аль-Хаджири К. Повышение теплопередачи при хранении энергии в сферических капсулах, заполненных парафином и металлическими шариками. Преобразование энергии и управление. 2006; 47: 211–28.
  • 52. Сари А., Караипекли А. Характеристики теплопроводности и хранения скрытой тепловой энергии в композите парафин / расширенный графит в качестве материала с фазовым переходом. Прикладная теплотехника. 2007; 27: 1271–7.
  • 53. Чжао Дж, Го Й, Фэн Ф, Тонг Q, Qv W, Ван Х. Микроструктура и термические свойства композита с фазовым переходом парафин / расширенный графит для аккумулирования тепла. Возобновляемая энергия. 2011; 36: 1339–42.
  • 54. Фарадж К., Халед М., Фарадж Дж., Хашем Ф., Кастелайн С. Материальные системы хранения тепловой энергии с фазовым переходом для систем охлаждения в зданиях: обзор. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 2020; 119: 109579.
  • 55. Ахмед Н., Эльфэки К.Е., Лу Л., Ван К.В.Тепловая и экономическая оценка комбинированной системы накопления явной и скрытой тепловой энергии Thermocline для среднетемпературных применений. Преобразование энергии и управление. 2019; 189: 14–23.
  • 56. Zhang Z, Zhang N, Peng J, Fang X, Gao X, Fang Y. Получение и свойства хранения тепловой энергии композитного материала с фазовым переходом парафин / расширенный графит. Прикладная энергия. 2012; 91: 426–31.
  • 57. Hadorn J-C. Решения для хранения солнечной тепловой энергии.В: Фрайбургская солнечная академия 2004. стр. 1–21.
  • 58. Шмидт Т., Мангольд Д. Новые шаги в области сезонного хранения тепловой энергии в Германии. В: Нью-Джерси; 2006.
  • 59. Steinbach Schaumglas GmbH & Co. KG. Технические характеристики продукта, указанные на веб-сайте производителя, также доступны в проспекте эмиссии .; 2020.
  • 60. Оливети Г., Аркури Н. Прототип экспериментальной установки межсезонного хранения солнечной энергии для зимнего отопления зданий: Описание установки и ее функций.Солнечная энергия. 1995; 54: 85–97.
  • 61. Fourier JBJ. Аналитическая теория тепла: University Press; 1878.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.

  • Свойство Значение Ссылка
    Физическое состояние Недоступно
    Физическое описание Недоступно 1 1 Массовый состав Недоступно
    Точка плавления Mp 50-57 ° DFC
    Точка кипения Недоступно
    Экспериментальная растворимость в воде 9 0448 Недоступно
    Экспериментальный logP Недоступно
    Экспериментальное pKa Недоступно
    Изоэлектрическая точка Недоступна
    Зарядка
    Оптическое вращение Недоступно
    Спектроскопические данные УФ-излучения Недоступно
    Плотность Недоступно
    Показатель преломления Недоступно
    Spectra
    EI-MS / GC-MS Недоступно
    MS / MS Вид 900 900 37 Прогнозируемый МС / МС
    Тип Описание Splash Key
    Прогнозируемый спектр ЖХ-МС / МС — 10 В, положительный всплеск 20-0002-0

    0000-e287928f557027a7d059

    Спектр
    Прогнозируемый МС / МС Прогнозируемый спектр ЖХ-МС / МС — 20 В, Положительный всплеск 20-0002-0

    0000-879db6b5ee8f9ceb1da7

    Спектр
    Прогнозируемый спектр МС / МС Прогнозируемый спектр ЖХ-МС / МС — 40 В, положительный всплеск 20-03dm-6

    0000-3285e7367c7124ae8084

    Прогнозируемый спектр МС / МС Прогнозируемый спектр ЖХ-МС / МС — 10 В, отрицательный splash 20-0002-0

    0000-c802a0de069bbc330268

    Спектр
    Прогнозируемый спектр МС / МС Прогнозируемый спектр ЖХ-МС / МС — 20 В, отрицательный splash20-0002-0

    0000-e960013c1f9f611e9fb9

    Спектр
    Прогнозируемый МС / МС Прогнозируемый спектр ЖХ-МС / МС — 40 В, отрицательный splash20-0lfs-3

    0000-7823566ec474a1848f62

    Spectrum
    ЯМР Недоступно
    Внешние ссылки
    ChemSpider ID Не доступен
    EMB
    Идентификатор соединения KEGG Недоступно
    Идентификатор соединения Pubchem Недоступно
    Идентификатор вещества Pubchem Недоступно
    Идентификатор ChEBI Недоступно ID Explorer
    P Недоступно
    DrugBank ID Недоступно
    HMDB ID Недоступно
    CRC / DFC (Словарь пищевых соединений) ID MLO03-T: MLO03-T
    EAFUS ID 2867
    Dr. Duke ID PARAFFIN
    BIGG ID Недоступно
    KNApSAcK ID Недоступно
    HET ID Недоступно
    Food Biomarker
    Недоступно
    Flavornet ID Недоступно
    GoodScent ID rw1035531
    SuperScent ID Недоступно
    Wikipedia ID Paraffin 90 Explorer Metabolite ID Недоступно
    Дубликат IDS Недоступно
    Старое IDS DFC Недоступно
    Associated Foods
    Диапазон содержания продуктов питания 9 0448 Ссылка
    Еда Ссылка
    Биологические эффекты и взаимодействия
    Воздействие на здоровье / биоактивность 1 9
    Ссылка
    антигеморроидальный 52217 Любое вещество, введенное в живой организм с терапевтической или диагностической целью. DUKE
    антипрокталгический DUKE
    смягчающее DUKE
    слабительное 50503 Средство, которое производит мягкий стул, расслабляет и расслабляет кишечник обычно используется в течение длительного периода для снятия запора. Сравните со слабительным средством, которое ускоряет дефекацию. Вещества могут быть как слабительным, так и слабительным средством. DUKE
    Ферменты Недоступно
    Пути Недоступно
    Метаболизм Недоступно
    Биосинтез Недоступно Биосинтез Недоступно
    Ароматизаторы
    Ароматизаторы Цитаты
    без запаха
    1. The Good Scents Company (2009).Информационный каталог ароматов и ароматов. Дата обращения 15.10.23.
    мягкий
    1. Компания Good Scents (2009). Информационный каталог ароматов и ароматов. Дата обращения 15.10.23.
    восковой
    1. Компания Good Scents (2009). Информационный каталог ароматов и ароматов. Дата обращения 15.10.23.
    Файлы
    MSDS Недоступно
    Ссылки
    Справочные материалы по синтезу Недоступно
    Общие ссылки Недоступно
    Общие ссылки Недоступно
    — Герцог, Джеймс. Доктор Фитохимические и этноботанические базы данных Герцога.Министерство сельского хозяйства США ». Служба сельскохозяйственных исследований, по состоянию на 27 апреля (2004 г.).

    Экспериментальная реакция теплового поведения парафинового воска в качестве накопителя

  • 1.

    Шарма А., Тьяги В.В., Чен С.Р., Будхи Д. Обзор накопления тепловой энергии с материалами и приложениями с фазовым переходом. Рен Суст Энерджи Ред. 2009; 13: 318–45.

    CAS Статья Google Scholar

  • 2.

    Аль-Абиди А.А., Мат С.Б., Сопиан К., Сулейман М.И., Лим СН, Тх А.Обзор накопителей тепловой энергии для систем кондиционирования. Ren Sust Energy Rev.2012; 16: 5802–19.

    CAS Статья Google Scholar

  • 3.

    Фарид М.М., Худхаир А.М., Разак С.А.К., Аль-Халладж С. Обзор накопления энергии с фазовым переходом: материалы и приложения. Energy Conv Mana. 2004. 45: 1597–615.

    CAS Статья Google Scholar

  • 4.

    Тяги В.В., Пандей А.К., Каушик СК, Тяги СК.Оценка тепловых характеристик солнечного воздухонагревателя с накопителем тепловой энергии и без него. J Therm Anal Calorim. 2012; 107 (3): 1345–52.

    CAS Статья Google Scholar

  • 5.

    Чон Джису, Ли Чон Хун, Со Чонки, Чон Су Гван, Ким Сумин. Применение системы накопления тепловой энергии PCM для снижения энергопотребления здания. J Therm Anal Calorim. 2013. 111 (1): 279–88.

    CAS Статья Google Scholar

  • 6.

    Юань Яньпин, Чжан Нань, Тао Вэньцюань, Цао Сяолин, Хэ Ялин. Жирные кислоты как материалы с фазовым переходом: обзор. Рен Суст Энерджи Ред. 2014; 29: 482–98.

    CAS Статья Google Scholar

  • 7.

    Лю Мин, Саман Васим, Бруно Франк. Обзор материалов для хранения тепла и методов улучшения тепловых характеристик для систем аккумулирования тепла с высокотемпературным фазовым переходом. Ren Sust Energy Rev.2012; 16: 2118–32.

    CAS Статья Google Scholar

  • 8.

    Янковски Н.Р., Маккласки Ф.П. Обзор материалов с фазовым переходом для тепловой буферизации компонентов автомобиля. Appl Energy. 2014; 113: 1525–61.

    Артикул Google Scholar

  • 9.

    Харикришнан С., Дипак К., Калайсельвам С. Поведение композитного материала с использованием гибридных наноматериалов в качестве ПКМ для аккумулирования тепловой энергии в системах солнечного отопления. J Therm Anal Calorim. 2014; 115 (2): 1563–71.

    CAS Статья Google Scholar

  • 10.

    Ратод М.К., Банерджи Дж. Термическая стабильность материалов с фазовым переходом, используемых в системах хранения энергии скрытого тепла: обзор. Рен Суст Энерджи Ред. 2013; 18: 246–58.

    CAS Статья Google Scholar

  • 11.

    Ли Минь, Чжишен Ву. Тепловые свойства композита графит / нодокозан ПКМ. J Therm Anal Calorim. 2013. 111 (1): 77–83.

    CAS Статья Google Scholar

  • 12.

    Чон Су-Гван, Чон Джису, Чунг Окён, Ким Сугван, Ким Сумин. Оценка композитов ПКМ / диатомита с использованием нанопластинок расслоенного графита для улучшения термических свойств. J Therm Anal Calorim. 2013. 114 (2): 689–98.

    CAS Статья Google Scholar

  • 13.

    Парамешваран Р., Джаявел Р., Калаисельвам С. Исследование термических свойств органического сложноэфирного материала с фазовым переходом, залитого наночастицами серебра. J Therm Anal Calorim.2012. 114 (2): 845–58.

    Артикул Google Scholar

  • 14.

    Ван Н, Чжан XR, Чжу Д.С., Гао Дж. У. Исследование теплопроводности и энергоемкости композитов графит / парафин. J Therm Anal Calorim. 2012; 107 (3): 949–54.

    CAS Статья Google Scholar

  • 15.

    Ангел Е.М., Георгиев А., Петреску С., Попов Р., Константинеску М. Теплофизические характеристики некоторых парафинов, используемых в качестве материалов с фазовым переходом для хранения тепловой энергии.J Therm Anal Calorim. 2014. 117 (2): 557–66.

    Артикул Google Scholar

  • 16.

    Мюррей Р., Дегросейлерс Л., Стюарт Дж., Осборн Н., Марин Дж., Сафатли А., Граул Д., Уайт М.А. Проектирование системы хранения скрытой тепловой энергии, применение солнечной энергии. Всемирный конгресс по возобновляемым источникам энергии, 8–13 мая 2011 г., Линчёпинг, Швеция; 3757–64.

  • 17.

    Ge H, Li H, Mei S, Liu J. Жидкий металл с низкой температурой плавления как новый класс материалов с фазовым переходом.Ren Sustain Energy Rev.2013; 21: 331–46.

    CAS Статья Google Scholar

  • 18.

    Акгун М., Айдын О., Кайгусуз К. Экспериментальное исследование характеристик плавления / затвердевания парафина как ПКМ. Энергия Минусы Человека. 2007. 48: 669–78.

    Артикул Google Scholar

  • 19.

    Бенмансур А., Хамдан М.А., Бенгеуддах А. Экспериментальное и численное исследование накопителя тепловой энергии твердых частиц.Appl Therm Eng. 2006; 26: 513–8.

    CAS Статья Google Scholar

  • 20.

    Groulx D, Ogoh W. Моделирование фазового перехода твердой и жидкой фаз в цилиндрической системе аккумулирования энергии скрытой теплоты. Материалы конференции COMSOL 2009, Бостон; 2009.

  • 21.

    Хасан А. Система накопления энергии материала с фазовым переходом, использующая пальмитриновую кислоту. Sol Energy. 1994; 52: 143–54.

    CAS Статья Google Scholar

  • Парафин в качестве самоуплотняющегося изоляционного материала сезонных систем хранения явного тепла — лабораторное исследование

    Abstract

    Сезонное накопление тепла считается одним из ключевых элементов на пути к экономике с низким уровнем выбросов. Встроенные в местные сети централизованного теплоснабжения, они увеличивают долю возобновляемых источников энергии и уравновешивают сильно колеблющиеся поставки, например, солнечные системы или ветряные мельницы. Технологию сезонного накопления тепла можно охарактеризовать как практически зрелую с технической точки зрения, с хорошо отработанными концепциями и некоторыми системами, находящимися в эксплуатации в течение значительного времени. Тем не менее, накопленный на сегодняшний день опыт эксплуатации также выявил две критические проблемы. С одной стороны, даже малейшие течи в уплотнительной фольге приводили к непоправимым поломкам.С другой стороны, потеря тепла в маргинальных областях была выявлена ​​как ключевой недостаток, препятствующий продвижению технологии к глобальному сбыту. В этом исследовании представлен экспериментальный подход к решению этих двух ключевых проблем в области сезонного хранения энергии. Два небольших лабораторных испытания были проведены для проверки парафинового воска как совершенно нового компонента в пограничной зоне сезонных хранилищ. Это основано на двух свойствах материала: будучи гидрофобной и подвижной средой, нагретый и расплавленный парафин должен активно закрывать трещины и отверстия в случае утечки.Кроме того, скрытые свойства парафинового воска по аккумулированию тепла должны увеличивать общую аккумулирующую способность системы и снижать боковые тепловые потери за счет его низкой теплопроводности. При периодах задержки от 2,5 до 4 часов результаты показывают эффективное изменение фазы парафинового воска, что снижает потери энергии и позволяет смягчить краткосрочные, интенсивные процессы загрузки и разгрузки. За счет накопления энергии в парафине до 138 кДж / кг, емкость хранилищ ямы увеличена до 40.Ожидается 70 МВтч. Кроме того, могут быть успешно продемонстрированы свойства самовосстановления: парафиновый воск с небольшими потерями, составляющими от 1,5 до 17%, эффективно закрывает искусственно созданные утечки. Таким образом, механизм оказался наиболее эффективным при локальных дефектах. После этих положительных демонстраций осуществимости остаются вопросы технического проектирования, которые касаются предотвращения деформации парафинового воска. После решения этот новый компонент может открыть путь для дальнейшей оптимизации технологий сезонного хранения тепла.

    Образец цитирования: Ботт С., Дрессел И., Байер П. (2020) Парафин как самоуплотняющийся изоляционный материал для сезонных систем хранения явного тепла — лабораторное исследование. PLoS ONE 15 (7): e0236056. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0236056

    Редактор: Чунхо Ю, Техасский университет A&M, США

    Поступила: 27 марта 2020 г .; Принята к печати: 27 июня 2020 г .; Опубликовано: 29 июля 2020 г.

    Авторские права: © 2020 Bott et al.Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

    Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в рукописи и ее файлах с вспомогательной информацией. Дополнительные лабораторные записи доступны в базе данных protocol.io (dx.doi.org/10.17504/protocols.io.bg8ejzte).

    Финансирование: Настоящее исследование финансируется Фондом Volkswagen в рамках «Инициативного эксперимента!» по грантовому соглашению № 93847.Спонсор предоставил поддержку в виде заработной платы для ID автора, но не имел никакой дополнительной роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, решении о публикации или подготовке рукописи. Конкретные роли этих авторов сформулированы в разделе «Авторский вклад».

    Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов. Коммерческая принадлежность ID, K + S AG, Кассель, не влияет на соблюдение всех политик PLOS ONE в отношении обмена данными и материалами.

    1 Введение

    Сезонное хранение тепла превратилось в многообещающую стратегию для хранения тепловой энергии от колеблющихся источников в течение длительных периодов времени. Солнечная энергия, собранная летом, или любое имеющееся в данный момент избыточное тепло может храниться для питания сети централизованного теплоснабжения в течение зимнего сезона [1–3]. Широкое разнообразие доступных концепций охватывает латентные, химические и ощутимые варианты [4–7]. В то время как аккумуляторы скрытого тепла используют эффекты фазового перехода (например, воды / льда или углеводородов) [8–10], термохимические аккумуляторы основаны на обратимых эндо- и экзотермических реакциях, таких как гидратация солей [11, 12].Однако обе эти концепции часто неприменимы к крупномасштабным приложениям из-за высоких материальных затрат. Явное накопление тепла, напротив, предполагает использование изменений температуры [13–16]. В этом контексте крупные сезонные системы хранения генерируются через скважинные поля (Скважинное хранилище тепловой энергии [17, 18]) или скважины в водоносных горизонтах (Хранение тепловой энергии в водоносном горизонте, например, [19–21]). Другой распространенный технологический вариант, который также является предметом настоящего исследования, — это хранение тепловой энергии в больших искусственных наземных бассейновых конструкциях.В них в качестве носителей используется вода или водонаполненный гравий объемом несколько тысяч кубометров [14, 22–24]. Стандартные решения по теплоизоляции отсутствуют, особенно для ямных хранилищ тепловой энергии (PTES) и водно-гравийных хранилищ тепловой энергии (WGTES). Однако долгосрочная эффективность аккумулирования тепла сильно зависит от грамотной и надежной техники, которая минимизирует боковые потери тепла из бассейна [2, 25]. Это означает, что носитель информации должен быть встроен в прочную водонепроницаемую оболочку с низкой теплопроводностью.Таким образом, эта оболочка обычно состоит из внутреннего непроницаемого герметизирующего слоя, то есть пластиковой пленки, изолирующей воду в резервуаре [23, 26–28]. Для теплоизоляции используются высокопористые и относительно дешевые материалы, такие как слои пеностекла или пеностеклянный гравий. Поскольку они не устойчивы к высоким структурным нагрузкам вышележащих носителей информации, большинство ранее построенных систем хранения изолированы только на верхней и боковых стенках [1, 29, 30].

    Основным препятствием для достижения рыночной зрелости бассейнов сезонного хранения тепла является техническая уязвимость компонентов уплотнения и изоляции.Оценка многочисленных существующих объектов показывает, что есть две наиболее важные категории недостатков: 1) Эффективность / тепловые потери: во многих случаях были измерены более высокие потери энергии и более низкая эффективность системы, чем предполагалось ранее (например, [29, 31, 32]) . Причинами значительного снижения производительности были, среди прочего, попадание воды в теплоизоляцию и взаимодействие с грунтовыми водами, способствующее рассеиванию тепла [33–36]. В конечном итоге эти высокие потери энергии снижают эффективность хранилищ, вызывая вопросы об их общей экономической жизнеспособности [37–39].2) Утечки: значительное количество систем пострадало от утечек, что привело к непоправимым повреждениям, а иногда даже к полным отказам (например, [34]). Недостаточная долговременная стойкость материалов, используемых для уплотнения бассейнов, не может выдерживать сильно изменяющиеся термические условия и статическую нагрузку заполняющего материала. Усталость материала еще больше усиливается из-за контрастирования холодной окружающей среды и горячего заполнения хранилища во время интенсивных процессов зарядки и разрядки [28, 33]. Таким образом, поскольку в крупномасштабных резервуарах для хранения не требуется дорогостоящая изоляция, герметизирующие слои располагаются непосредственно на окружающей почве и подвергаются более высокому риску травм.Поразительно, что большинство проблем возникает в области перехода от носителей информации к окружающей среде.

    Основываясь на этих ключевых вопросах, в данном исследовании изучается пригодность новой концепции мембран на основе парафина, которая может быть подходящей для одновременной изоляции и герметизации сезонных резервуаров для хранения тепла. Парафиновый воск — это смесь молекул углеводородов с различным числом атомов углерода. Длина С-цепей составляет от 20 до 60 для мягких и твердых парафиновых восков, и это контролирует как точки плавления, так и точки затвердевания используемого сыпучего материала.Например, при температуре затвердевания 42 ° C и температуре плавления 40 ° C молекулы имеют длину цепи около 21 атома углерода. Парафин с энтальпией плавления от 150 до 220 кДж / кг является одним из самых популярных материалов для хранения [7, 40–45]. Его теплопроводность относительно низка, со значениями от 0,15 Вт / м · К до 0,30 Вт / м · К примерно на порядок ниже, чем у водонасыщенного гравия (2,4 Вт / м · К в случае реализованной водно-гравийной термальной системы). Накопитель энергии описан в [38]) [46, 47].Кроме того, он гидрофобен и нетоксичен [48]. Эти благоприятные свойства поддерживают использование парафинового воска для боковой теплоизоляции и поглощения энергии, в то время как плавление парафинового воска потребляет энергию и, таким образом, удерживает ее в системе [43–45, 49]. Эффект рекуперации может быть использован, когда хранилище охлаждается и затвердевание парафинового воска дает возможность рекуперации тепла, накопленного при фазовом переходе. Традиционное использование парафинового воска в качестве теплоносителя уже использует эти эффекты в различных отношениях [50–53].В инкапсулированной форме или в виде композиционного материала с полимерами он использовался, например, для активации тепловых компонентов внутри зданий и для небольших аккумуляторов тепла [9, 54–56]. Однако, если парафиновый воск интегрирован напрямую и становится доступным в качестве подвижной среды в его жидком расплавленном состоянии, он может закупорить утечки в герметизирующих слоях систем хранения благодаря своим гидрофобным свойствам. При прямом контакте с холодной окружающей средой рядом с изоляционной мембраной он охладится и предотвратит потерю воды из бассейна.Целью данной работы является исследование этих ожидаемых самоуплотняющихся свойств парафинового воска с учетом условий сезонного хранения в небольших лабораторных экспериментах.

    За счет интеграции материала, аккумулирующего скрытую теплоту, в маргинальную секцию, критические уязвимости существующих концепций накопительных мембран атакуются, в то же время добавляются новые преимущества. Таким образом, представленный подход технически прост и несколько парадоксален, поскольку парафин уже является хорошо зарекомендовавшим себя материалом для хранения тепловой энергии.Таким образом, данное исследование предлагает существенно новую стратегию применения теплоизоляции.

    С целью предоставить первоначальное доказательство осуществимости и продемонстрировать применимость предполагаемых механизмов, это исследование разделено на два отдельных раздела. Первая часть проверяет тепловые характеристики парафинового воска в многоступенчатом лабораторном эксперименте. Здесь варианты использования парафина в качестве изоляционного материала испытываются в различных диапазонах температур. Вторая часть посвящена непроницаемости накопительной мембраны.С этой целью анализируются различные типы искусственно вызванных утечек и выбранные окружающие материалы, а также исследуется поведение миграции парафинового воска.

    2 Материалы и методы

    2.1 Повышение тепловых характеристик

    2.1.1 Экспериментальная установка.

    Первое лабораторное испытание было разработано для исследования потерь энергии при использовании парафинового воска внутри двух секций герметизирующих слоев конструкции PTES. Схематическая иллюстрация экспериментальной установки приведена на рис. 1, а на рис. 2 показаны изображения смонтированной установки в лаборатории.

    Рис. 2. Экспериментальные варианты с (а) черной ПВХ-пленкой и (б-г) ПС в качестве герметизирующего слоя.

    1: окружающий материал, 2: изоляционный слой из парафина, 3: уплотнительная пленка из ПВХ, 4: наполнитель / вода, 5: уплотнительные пластины из полистирола, 6, 7: датчики температуры в парафиновом воске / наполнителе, 8: нагревательное устройство, 9 : камера.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0236056.g002

    В качестве внешнего ограждения использовалась емкость из акрилового стекла с внутренними размерами 1000 мм x 300 мм x 600 мм (длина, ширина, высота). .Внутри был реализован небольшой накопитель тепла с деионизированной водой в качестве наполняющего материала, причем его внутренние размеры (600 мм x 200 мм x 400 мм) были заключены во внутреннее уплотнение. В первой серии экспериментов герметизация проводилась с помощью жестких пластин из полистирольного стекла (ПС) толщиной 5 мм. Во второй серии плиты ПС были заменены поливинилхлоридной (ПВХ) фольгой толщиной 0,5 мм, которая обычно используется для герметизации существующих бассейнов хранения [1, 26, 57]. Сравнение использования неформующихся пластин из полистирола с гибкой стандартной пленкой из ПВХ помогает сосредоточить внимание на потенциальной механической деформации при включении парафина.Последний был залит между другим слоем герметизирующей мембраны на одной короткой стороне контейнера (рис. 2а и 2b). Форма чистого парафинового воска была выбрана, чтобы использовать его прямую доступность в виде расплавленной жидкости для повторного закрытия утечек во второй части экспериментов. Внутри герметизирующей мембраны парафиновый воск распределялся по всей поверхности без пор, чего не было бы в случае с парафиновыми композиционными материалами, часто используемыми в строительном секторе, такими как инкапсулированный парафиновый воск.Здесь одновременно обеспечивается больший объем для дополнительного хранения энергии. В случае пластин PS было выполнено расстояние между полостями 20 мм (рис. 2b), и, следовательно, был использован парафиновый воск объемом 1600 мл. В серии экспериментов с ПВХ был отлит такой же объем парафина, как и пластина толщиной 20 мм, покрытая ПВХ-фольгой (рис. 2а). Выбранный парафиновый воск (Tudamelt 40/42, Hansen & Rosenthal KG, Гамбург, Германия) имеет относительно низкую температуру затвердевания при 42 ° C и температуру плавления примерно при 40 ° C.Ожидается, что это будет напоминать реальные условия в предпочтительных низкотемпературных системах [22, 35, 58]. Проведенный производителем газохроматографический анализ качества парафинового воска показал плотное распределение длин цепей от примерно 20 до 23 атомов углерода (примерно 80%) в общем диапазоне от 17 до 32 атомов углерода.

    Верхняя крышка контейнера из прозрачной пластиковой фольги (для лучшей видимости не представлена ​​на рис. 2) сводит к минимуму эффект испарения. Чтобы дополнительно защитить эксперимент от воздействия окружающей среды и имитировать зернистые свойства почвы, окружающей резервуар для хранения в полевых условиях, был использован гранулят из вспененного стекла (Ecoglas, Steinbach Schaumglas GmbH & Co.KG, Зальц, Германия) (рис. 2). В качестве вторсырья с размером зерен 5–8 мм он также используется в качестве наружного изоляционного материала (теплопроводность λ = 0,084 Вт / мК, [59]) на некоторых существующих объектах [27, 36, 60].

    Для нагрева носителя был применен лабораторный термостат (погружной термостат Julabo ED) с подводимой электрической мощностью 2 кВт (рис. 2c и 2d), при этом нагревательный змеевик с циркуляционным насосом был установлен в центре водяного столба. . Это имитировало процедуру прямого нагружения без термической стратификации в бассейне, но обеспечило однородное распределение температуры во всех областях раздела.Для измерения температуры и регистрации данных использовались два 20-канальных мультиплексора Keysight 34901A и один Keysight 34972A. Всего было подключено 15 датчиков температуры Pt100 (нержавеющая сталь, водонепроницаемые, 4 провода, длина 500 мм, измерительный наконечник 20 мм, точность 1/10 DIN (Немецкий промышленный стандарт), рис. 2d). Точность датчиков зависит от температуры. В пределах температур всех экспериментов он находится в диапазоне от ± 0,04 ° C (при 20 ° C) до ± 0,06 ° C (при 60 ° C). Три зонда были непосредственно залиты в корпус из парафинового воска на разной высоте.Распределение датчиков температуры показано на рис. 1. HD-камера для покадровой записи облегчила визуальное наблюдение.

    2.1.2 Порядок проведения испытаний и обработки данных.

    Общий рабочий процесс экспериментов по тепловым характеристикам показан на рис. 3a. После заливки парафина непосредственно в полость из полистирола или поливинилхлорида (рис. 2) все датчики температуры были установлены в соответствующих положениях (рис. 1). Эксперимент проводился в три этапа для шести различных заданных температур от 34 ° C до 40 ° C.На первом этапе система, запущенная при температуре окружающей среды, была нагрета до заданной целевой температуры (фаза нагрева). Хотя скорость нагрева нельзя было непосредственно измерить, она была постоянной для всех экспериментов, потому что нагревательное устройство всегда работало на полную мощность. Равновесное состояние, подразумевающее постоянный градиент к окружающей среде, поддерживалось не менее 12 часов (фаза поддержания). Эта вторая фаза была остановлена ​​выключением термостата нагрева, и вся конструкция остыла, пока снова не была достигнута температура окружающей среды (фаза охлаждения, рис. 3b, слева).На всех этапах измерения температуры во всех положениях датчика регистрировались с интервалами 30 с, а видео с интервалом времени (частота кадров 100 кадров в секунду из 30-секундных интервалов изображения) записывались камерой.

    Рис. 3. a) Рабочий процесс экспериментов по тепловым характеристикам; б) экспериментальные фазы с определением задержки и накопленного теплосодержания (схематическое изображение).

    Розовый ящик: задержка нагрева / охлаждения из-за фазовых эффектов. Цвета линий на рис. 3b: синий: вода, зеленый: парафин, желтый: окружающий материал.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0236056.g003

    При оценке данных основное внимание уделялось двум параметрам, позволяющим судить о пригодности парафинового воска для повышения теплоемкости и теплоизоляционных характеристик мембраны: (i ) коэффициент замедления, который представляет задержку боковой теплопередачи во время плавления или затвердевания парафинового воска; (ii) количество тепла, накопленного при плавлении во время фазы нагревания или, наоборот, извлеченное из затвердевающего парафинового воска в фазе охлаждения.Далее все наборы температурных данных были сначала преобразованы в количества тепла через развернутые массы ( м ) и удельную теплоемкость ( c м ) парафинового воска, воды и окружающего материала соответственно ( используя калорическое уравнение для тепла Q = c м м ∙ Δ T ). В этом контексте довольно неоднородное качество технического парафина было рассмотрено путем определения неопределенности в 5% для удельной теплоемкости соответствующего материала.В сочетании с точностью измерения датчиков температуры длительная погрешность значений теплоты привела к макс. ± 8,5 кДж / кг.

    Хотя эффекты изменения фазы уже обнаруживаются в этих наборах данных (розовая рамка на рис. 3b, слева), производные этих кривых более точно показывают изменения теплосодержания парафинового воска и предоставляют информацию о точных временных рамках задержки (рис. 3b). , справа вверху). В конечном итоге количество сохраненного и извлеченного тепла было определено количественно с использованием интеграла изменений энергии за период задержки (рис. 3b, справа внизу).

    2.2 Испытания на герметичность

    2.2.1 Экспериментальная установка.

    Испытания на герметичность подтвердили желаемый механизм самовосстановления при использовании парафинового воска в гидроизоляционных накопительных мембранах. Поскольку он используется в чистом виде, материал имеет прямой тепловой переход с границами раздела внутреннего и внешнего слоев и, следовательно, должен сначала расплавиться в фазе нагрева. Впоследствии он должен быть доступен в виде гидрофобной подвижной жидкости для закупорки путей к более холодному окружающему материалу в случае утечек.

    Схема показана на рисунках 4 и 5 и для согласованности и сопоставимости состоит из многих компонентов предыдущих тестов. Операционное и измерительное оборудование, такое как датчики и термостат нагрева, были такими же, как в экспериментах по тепловому усилению, описанных выше (рис. 5). Однако для моделирования поперечного сечения мембраны накопителя использовался гораздо меньший внешний кожух из полистирола размером 400 x 200 x 200 мм (длина, ширина, высота), а окружающий материал был установлен только с одной стороны (рис. 5а).Слой парафинового воска толщиной 20 мм (объем: 800 см 3 ) был нанесен в непосредственном контакте с внутренним заполнением деионизированной водой (280 мм x 200 мм x 200 мм). На внешней пластине PS окно шириной 50 мм x 50 мм было покрыто пленкой ПВХ для имитации различных типов утечек в герметизирующей фольге, таких как трещины, большие отверстия и перфорированные зоны (рис. 5b).

    Рис. 4. (а) эскиз и (б) вид сверху экспериментов по утечке.

    Зеленый: парафиновый воск, синий: вода, красный: слой ПВХ, желтый: окружающий материал.Положения датчиков отмечены точками. ПВХ: поливинилхлорид, PS: полистирольные стеклянные пластины.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0236056.g004

    Рис. 5. a) Лабораторная установка, b) трещина в поливинилхлоридной фольге с выходящим парафином, c) твердое тело песка с парафином, d ) непроницаемое соединение окружающего материала с поровыми пространствами, заполненными парафином.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0236056.g005

    Площадь окружающего материала в конечном итоге привела к объему 100 x 200 x 200 мм и позволила наблюдать и измерять характеристики оттока и дисперсии парафиновый воск (рис. 5c и 5b).Два окружающих материала были использованы в отдельных сериях испытаний: (i) мелкий песок (размер зерна: от 0,063 до 2 мм) был использован для воспроизведения реалистичных полевых условий, а (ii) стеклянные шары диаметром 3 мм были выбраны для имитации идеальной зернистой структуры и для проверки поведения расплавленного парафина в средах с большим пористым пространством (рис. 5а).

    2.2.2 Порядок испытаний и оценка данных.

    Рабочий процесс экспериментов с утечкой показан на рис. 6а. В различных сценариях определенный тип искусственной протечки был вырезан в ПВХ-пленке и временно заклеен липкой лентой.Вертикальные и горизонтальные трещины площадью 20 мм 2 , вертикальные трещины площадью 40 мм 2 , а также большое отверстие площадью 380 мм 2 и фольга, содержащая перфорированную области (общая площадь утечки 23,6 мм 2 ). Затем резервуар для хранения был заполнен водой, и парафин был отлит в полость моделируемой мембраны для хранения. После затвердевания парафинового воска липкая лента удалялась, обнажая дефектную зону, и вставлялся окружающий материал (песок или стеклянные шарики).Для быстрого нагрева термостат был установлен на 60 ° C, и началась регистрация данных. Так же, как весь парафиновый воск был в жидком состоянии, термостат был выключен, и система остыла до температуры окружающей среды. Для оценки составное тело из парафинового воска и песчаных или стеклянных шариков, внедренное в окружающий материал, подвергали воздействию и брали образцы. В конечном итоге вся установка была возвращена в исходное состояние для новой итерации.

    После каждого из этих испытаний формованные составные тела из затвердевшего парафинового воска и окружающего материала были обнажены, и их размеры (длина, ширина, высота) и массы были записаны с помощью линейки.Объем рассчитывали через плотность и массу составного материала. Предполагая, что точность измерения составляет 0,5 мм для расширений и 1 г для веса композитных корпусов, общая точность данных об объеме дает макс. ± 2,7 см 3 для тел из составного материала и ± 1,4 см 3 для данных об объемных потерях парафина. Особое внимание было уделено наблюдаемым направлениям диспергирования парафинового воска. Соответственно, длина и ширина тел были определены, как показано на рис. 6b, а высота измерялась по вертикали.

    3 Результаты и обсуждение

    3.1 Повышение тепловых характеристик

    3.1.1 Визуальные наблюдения.

    На рисунках 7 и 8 суммированы результаты экспериментов по тепловым характеристикам как на этапе нагрева, так и на этапе охлаждения для шести выбранных экспериментальных настроек. На фиг.7а и 8а показано замедление плавления или затвердевания парафинового воска. Напротив, поглощенное / накопленное тепло в парафиновом воске, которое представляет собой увеличение емкости накопления, показано на фиг. 7b и 8b.Результаты охватывают только эксперименты с ПВХ в качестве уплотнительного материала, за исключением одной итерации с ПС для сравнения.

    Рис. 7. а) Задержка нагрева лабораторного накопителя тепла из-за плавления парафинового воска; б) дополнительное накопленное тепло в парафиновом воске во время фазы нагрева.

    ПВХ: поливинилхлорид, ПС: полистирольные стеклянные пластины.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0236056.g007

    Рис. 8. a) Задержка охлаждения лабораторного накопителя тепла из-за затвердевания парафинового воска; б) дополнительное тепло, выделяемое парафиновым воском, измеренное в фазе охлаждения.

    ПВХ: поливинилхлорид, ПС: полистирольные стеклянные пластины.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0236056.g008

    Первые результаты и поразительные особенности представленной концепции очевидны уже при оценке покадровой записи, поскольку жидкие компоненты могут наблюдаться даже при низкой температуры. Следовательно, даже эксперименты с заданными температурами ниже точки плавления использованного парафинового воска показывают значительные эффекты замедления и накопления / рециркуляции тепловой энергии.Это может быть связано с составом парафинового воска, так как техническое качество, используемое в экспериментах, не является высокоочищенным материалом. Поскольку он содержит молекулы углеводородов разной длины, фракционирование происходит при нагревании или охлаждении, и различные частичные участки плавятся и затвердевают в разных диапазонах температур.

    Следует отметить, что это относится ко всем индуцированным фазовым изменениям, приводящим к не четким и резким, а мягким и медленным переходам. Хотя этого можно ожидать и в практических приложениях, это добавляет неопределенности в интерпретацию измерений.Однако эти эффекты также принимаются во внимание при оценке неопределенности, поскольку всем значениям измерений и физическим свойствам были присвоены коэффициенты ошибок во время оценки данных (см. Раздел 2.1.2).

    Вторым результатом, уже показанным при визуальном контроле, были деформации слоя парафина во время плавления при использовании фольги ПВХ. Смещение парафинового воска из-за давления наполнителя в направлении окружающего материала привело к появлению клиновидной выпуклости.В результате толщина слоя парафинового воска была существенно уменьшена внизу и увеличена вверху, что подняло технические вопросы относительно надежных методов реализации в полевом масштабе. Даже если бы этих деформаций можно было избежать в лаборатории с помощью стабильных пластин из полистирола, для крупномасштабных систем хранения было бы проблематично использовать конфигурацию между пленками из ПВХ без стабилизирующих конструкций.

    3.1.2 Эффекты замедления и накопления энергии в фазах нагрева.

    После оценки визуальной документации анализ записей температурных данных начинается с фазы нагрева (рис. 7). Таким образом, результаты показывают значительные задержки из-за плавления парафинового воска во всех шести вариантах испытаний. Это примечательно, поскольку эта фаза сравнительно короткая с линейным увеличением температуры от 0,49 до 0,71 К / мин.

    Диапазон значений периода запаздывания (рис. 7a) среди различных параметров эксперимента велик, от 360 до 1600 с, со средней задержкой плавления около 1000 с, но корреляция с применяемыми целевыми температурами не очевидна.Точно так же из-за данных неопределенностей нельзя сделать вывод из увеличенного индивидуального значения теста с ПС вместо ПВХ, что использование этого альтернативного материала только приводит к более высокому замедлению. Тем не менее, значение замедления 1590 с для варианта ПС на 80% выше среднего значения около 880 с для испытаний с пленкой ПВХ. Однако результаты всех испытаний подтверждают эффективность желаемого механизма: исходя из времени задержки, можно ожидать, что быстрая зарядка хранилища приложений может быть эффективно задержана процессами плавления парафинового воска.Одновременно результаты указывают на снижение боковых тепловых потерь.

    Как описано в разделе 2.1.2 и видно на рис. 3b, существует тесная корреляция между временем задержки и тепловой энергией, накопленной в фазе нагрева (рис. 7b). Следовательно, результаты последнего также демонстрируют большие колебания, в пределах от 4,21 кДж / кг до 12,44 кДж / кг парафинового воска при среднем значении 6,55 кДж / кг. Хотя эти значения низкие, вероятно, что более медленные процессы плавления не могут быть обнаружены из-за быстрого нагрева.Явного влияния уплотнительного материала не наблюдалось. Разница между ПВХ и ПС при одинаковой температуре невелика, и значение для ПС, равное 5,78 кДж / кг, ненамного превышает среднее значение 6,71 кДж / кг для всех экспериментов с ПВХ.

    В сочетании с заданной массой используемого парафинового воска (1200 г для объема 0,0016 м 3 или 1,6 л и плотности 750 кг / м 3 ) результаты количеств запасенной энергии используются для линейного апскейлинг до полевых условий.Исходя из усеченной геометрии обычных ямных систем накопления тепловой энергии (PTES) [24, 29, 31], объем накопителя 50 000 м 3 и толщина слоя парафинового воска 0,1 м, объем парафинового воска составляет 1000 м3. м 3 можно принять.

    Результаты в конечном итоге показывают увеличение емкости накопителя для этого случая применения примерно на 3,16 ∙ 10 6 МДж или 0,88 МВтч до 9,33 ∙ 10 6 МДж или 2,59 МВтч. Таким образом, этот дополнительный резервуар энергии будет доступен во время быстрого и интенсивного процесса зарядки за счет нанесения парафинового воска.Тем не менее, по сравнению с емкостью водонаполнения PTES, равной 1,16 ГВтч (для диапазона температур 20 K и емкости хранения воды 4,19 кДж / кг · K), это небольшое преимущество, и, следовательно, дополнительная емкость аккумулирования тепла составляет только недостаточно для оправдания использования парафинового воска.

    3.1.3 Эффекты замедления и накопления энергии в фазах охлаждения.

    Для сравнения, одна и та же серия измерений была рассмотрена для оценки фаз охлаждения (рис. 8). Как и ожидалось из закона Фурье [61], фаза охлаждения отражается не линейным градиентом температуры и содержания энергии, а экспоненциальным уменьшением, сходящимся к температуре окружающей среды.В результате, эта фаза охватывает гораздо более длительные периоды времени до тех пор, пока температура окружающей среды снова не будет достигнута (Рис. 8a, в среднем 95 часов, максимум 144 часа).

    Первые результаты фазы охлаждения уже показывают существенные различия, поскольку периоды замедления, вызванные затвердеванием парафинового воска, на несколько порядков выше (рис. 8a). Они варьируются от 8 500 с (~ 2,5 ч) до примерно 17 000 с (~ 4,7 ч), при среднем значении 14 000 с (~ 3,9 ч). Кроме того, заметная разница между значениями для полистирола и ПВХ при одинаковой температуре (34 ° C) указывает на значительное влияние герметизирующего материала, поскольку можно использовать больше парафинового воска, чтобы предотвратить процессы деформации.Однако не наблюдается четкой тенденции к увеличению времени задержки при более высоких рабочих температурах. В целом результаты задержек на этапе охлаждения демонстрируют более эффективную применимость представленного подхода. Из-за длительных задержек последующая энергия может быть предоставлена ​​в предельной области накопителя в случае быстрой разрядки накопителя. В результате крутизна тепловых градиентов по направлению к окружающей среде может быть уменьшена, а потери энергии сведены к минимуму.

    Оценивая фазу охлаждения, можно более точно определить результаты рекуперации энергии (рис. 8b). Это связано с тем, что эта фаза эксперимента представляет собой незатронутый процесс охлаждения в отличие от фазы нагрева, когда быстрые подводы энергии к наполнению могут накладывать эффекты фазового изменения в парафиновом воске. Как следствие, фаза охлаждения позволяет наблюдать всю последовательность эффектов фазового перехода без вмешательства внешних потоков энергии, а также позволяет разрешить гораздо более медленные процессы.Следовательно, результаты получения энергии из парафинового воска на несколько порядков выше, чем результаты, полученные при нагревании, в среднем 138 кДж / кг в диапазоне от 57 кДж / кг до 195 кДж / кг. Хотя кривая естественного охлаждения, применяемая в экспериментах, не отражает должным образом условия периодического накопления и разрядки в прикладном случае, результаты доказывают, что охлаждение задерживается за счет энергии, рекуперированной при затвердевании парафина. Таким образом, кратковременные процессы разряда могут быть буферизованы и компенсированы в течение более длительного периода, что приведет к более медленному снижению температуры в корпусе накопителя и, следовательно, к меньшему влиянию на долговечность герметизирующего материала.

    На количество рекуперированного тепла влияет не рабочая температура, а уплотнительный материал. Более устойчивая конструкция из полистирола с постоянной и однородной поверхностью раздела обеспечивает использование большего объема парафинового воска. Восстановленная энергия 190 кДж / кг значительно выше, чем соответствующее значение с использованием ПВХ (141 кДж / кг), и даже выше, чем среднее значение всех измерений с использованием ПВХ (138 кДж / кг).

    Значения рекуперации энергии фаз охлаждения также применимы для масштабирования для ранее описанного сценария использования 50 000 м 3 PTES.При этом результаты показывают разительную разницу: объем в 1000 м 2 3 парафинового парафина обеспечит дополнительную емкость хранения от 12,01 МВт-ч до 40,70 МВт-ч (в среднем: 28,77 МВт-ч), будучи дополнительно доступным во время процесса медленного охлаждения или разгрузки. В конечном итоге эти результаты на порядок выше, чем у фаз нагрева. Они демонстрируют эффективное использование желаемых процессов и добавленную стоимость новой концепции с точки зрения повышения температуры сезонных систем аккумулирования тепла.

    3.2 Устранение утечек

    3.2.1 Направления рассеивания.

    Самовосстанавливающиеся свойства недавно представленной концепции основаны на желаемом механизме активного закрытия путей утечки гидрофобным парафином. В рамках этой второй серии тестов были изучены шесть различных сценариев. На Фиг.9 показаны размеры формованных тел из парафинового воска и окружающего материала (согласно Фиг.6b) по отношению к соответствующему типу утечки и окружающему материалу.В одном из сценариев вместо песка в качестве окружающего материала использовались стеклянные шары. Поскольку формы различных типов утечек (трещины, отверстия круглой формы и перфорированная зона) сильно различаются, нецелесообразно учитывать их длину или диаметр. Вместо этого общая площадь этих каналов используется в качестве вспомогательного параметра для сравнения размера («A» на рис. 9) утечки.

    Рис. 9. Измерения формованных тел после потери парафина.

    Длина и ширина были определены, как показано на рис. 7b, а высота твердых тел измерялась по вертикали.A: общая площадь проходов как размер утечки, d: размер зерна окружающего материала.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0236056.g009

    Для всех утечек результаты показывают преобладающую дисперсию в вертикальном направлении (по высоте) и по горизонтали к поверхности герметизирующей мембраны (по ширине). Высоты, которые показывают наибольшую разницу (от 29 мм до 105 мм), указывают на тенденцию к увеличению площади поверхности утечки. Они также содержат самые маленькие значения, которые от двух до девяти раз ниже по сравнению с вертикальными размерами.Напротив, значения ширины и длины разбросаны вокруг своих средних значений 49,5 мм и 17,8 мм, соответственно, в небольших пределах (минимум: 37,0 мм и 5,0 мм, максимум: 59,0 мм и 25,0 мм).

    Эти результаты можно объяснить влиянием силы тяжести. Таким образом, парафиновый воск предпочтительно течет по внешней ПВХ-пленке накопительной мембраны и распространяется в основном вертикально. Однако замечательно и горизонтальное распространение вдоль боковой стенки хранилища, которое даже превышает вертикальную составляющую в случае трещин меньшего размера.Очевидно, что высокая температура на границе раздела внешней мембраны играет решающую роль, гарантируя, что парафиновый воск не затвердеет сразу после вытекания из изоляционного слоя. Таким образом, он может распространяться в боковом направлении со значительными материальными потерями, что представляет собой серьезную слабость предлагаемой общей концепции.

    Тем не менее, механизм самовосстановления представленной концепции уже доказал свою эффективность в рамках этих результатов, так как разгон в горизонтальном направлении сразу от хранилища успешно затрудняется.В этом отношении окружающий холод материал представляет собой эффективный барьер, ведущий к быстрому затвердеванию парафинового воска и закупорке утечки.

    3.2.2 Влияние типов утечек и окружающих материалов.

    Оценка влияния типа утечки (отверстие, трещина или перфорация) изначально не выявляет каких-либо существенных различий. Однако есть признаки того, что вертикальные трещины одинаковой площади поверхности равномерно приводят к меньшему растеканию парафинового воска во всех направлениях.Кроме того, в случае трещин более крупные дефекты усиливают распространение в вертикальном направлении.

    Более поразительное различие становится очевидным при сравнении двух окружающих материалов (стеклянных шариков и песка): хотя поровое пространство в более крупных и однородных стеклянных шариках обеспечивает значительно больший объем для рассеивания, длина уменьшается, в то время как расширение по ширине и высоте увеличена. Здесь стеклянный шарик обеспечивает преимущество в виде большего резервуара холода, предотвращая поток в окружающий материал и обеспечивая более быстрое затвердевание, но вызывая отклонение в двух других направлениях.

    Дополнительные параметры для анализа типов утечек и окружающих материалов включают массу формованных тел, а также их объемные объемы и, наконец, объем нанесенного парафина (рис. 10). Для сравнения представлена ​​та же серия экспериментов, что и в предыдущем анализе направлений дисперсии. Массы формованных тел (рис. 10а) показывают сравнительно небольшой диапазон значений от 11 г до 85 г. Максимальное значение массы получено в результате эксперимента с перфорированной ПВХ-фольгой, его значение 85 г почти в три раза превышает средние потери парафинового воска, равные 31.3 г. Разница в окружающем материале не очевидна в этих результатах, но снова есть заметная разница в горизонтальных, а не вертикальных трещинах. Для горизонтальной трещины значение увеличилось более чем вдвое с 12 г до 25 г.

    Рис. 10. Массы (a) и объемы (b) формованных тел, состоящих из парафинового воска и окружающего материала, после индуцированной утечки.

    vert: вертикальная трещина, горизонт: горизонтальная трещина, A: общая площадь проходов как размер утечки, d: размер зерна окружающего материала.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0236056.g010

    Результаты общих объемов (рис. 10b) показывают более четкие различия между отдельными конфигурациями. Как уже указывалось в предыдущей оценке размеров тел, дисперсии также различаются по их объемной протяженности в пределах от 12 см 3 до 137 см 3 . Доля парафинового воска в составных телах колеблется от 36% до 67%, что подразумевает дополнительную изменчивость объемов выделяемого парафинового воска.Следовательно, эти данные содержат сравнительно больший размах от 5 см 3 до 80 см 3 . Относительно общего объема 800 см. 3 потери парафинового воска невелики и составляют от 1,5% до 17%. Эти результаты доказывают, что свойства самовосстановления могут применяться без значительных разрядов используемого материала и что предложенный подход работает эффективно.

    Площадь поверхности дефектов была выявлена ​​как наиболее существенное влияние на количество потерянного парафинового воска, при этом удлиненные трещины представляют собой более серьезную проблему, чем круглое, локально ограниченное отверстие с площадью поверхности в 10 раз большей.Эти результаты, полученные в ходе испытаний, можно объяснить оптимальным соотношением длины окружности к площади поверхности круга. И наоборот, линейные утечки, например подобно трещинам, образуют более крупный резервуар тепла, что приводит к более широкой окружающей теплой поверхности, что способствует боковому распространению. То же самое относится к перфорированной и пористой фольге, которая, например, из-за усталости материала имеет большое количество мелких дефектов. Более того, сравнение вертикальных и горизонтальных трещин одинакового размера и площади поверхности указывает на большую потерю парафинового воска из-за горизонтальных зазоров во внешней герметизирующей фольге.Здесь, по сравнению с вертикальными трещинами, вертикальные силы, действующие на оболочку накопителя, усиливают расхождение надреза.

    Что касается различных типов утечек, результаты в конечном итоге показывают, что существуют различные влияния как формы, размера, так и ориентации различных дефектов. Тем не менее, несмотря на то, что существует много различных факторов, для всех серий испытаний доказано, что использование парафинового воска не только увеличивает тепловые преимущества для сезонных систем аккумулирования тепла, но также может обеспечить более длительное время работы, устраняя проблемы усталости материала из-за новая встроенная функция самовосстановления.

    4 Выводы

    Сезонное хранение тепловой энергии в крупных бассейнах уже предлагает высокий потенциал для повышения гибкости сетей централизованного теплоснабжения за счет уравновешивания колеблющихся возобновляемых источников энергии. Однако многие из существующих систем демонстрируют недостатки в отношении их тепловых характеристик (проявляющиеся в виде чрезмерных потерь энергии, значительно снижающих рентабельность) и в отношении их технической настройки, поскольку утечки в герметизирующих пленках могут привести к полному отказу системы.В данном исследовании рассматриваются эти ключевые аспекты, представляя принципиально новую концепцию комбинированной изоляции и герметизирующей мембраны. Начиная с нетрадиционного подхода, использование парафинового воска в качестве гидрофобного материала, аккумулирующего скрытую теплоту, в краевой зоне хранилища было тщательно изучено в лаборатории и испытано в двух отдельных сериях экспериментов.

    Преимущества концепции в части тепловой оптимизации сезонных складов подтверждены следующими результатами:

    • Быстрая доступность этих процессов при быстром нагреве наполнения хранилища наблюдалась уже через несколько минут.
    • И наоборот, равномерное восстановление энергии из парафинового воска наблюдалось во время естественного охлаждения в течение периодов от 2,5 до 4 часов.
    • Дополнительное используемое количество тепла, обеспечиваемого парафиновым воском, показало, что в лаборатории значения составляют около 6,55 кДж / кг во время фазы интенсивного нагрева и около 138 кДж / кг во время фазы медленного охлаждения.
    • Для случаев полномасштабного применения теоретическое масштабирование показало увеличение емкости хранилища до 40,70 МВтч.

    С одной стороны, эти результаты показывают, что как буферизацию интенсивных, краткосрочных зарядов и разрядов, так и нормальную работу можно оптимизировать по желанию. В этом отношении преимущества недорогого накопительного материала с быстрой термической применимостью (вода) и скрытого, более твердого накопительного материала (парафиновый воск) идеально сочетаются для максимизации долгосрочных характеристик за счет увеличения общей емкости хранения и снижения термического воздействия. нагрузка на материалы из-за сглаживания температурных градиентов.

    С другой стороны, следует упомянуть определенные недостатки новой концепции в отношении ее теплового поведения:

    • Дополнительная емкость для хранения парафина составляет лишь небольшую часть от общей емкости, что вызывает вопросы относительно экономической целесообразности.
    • Обнаружена техническая проблема, поскольку ранее однородный слой парафина деформировался в клиновидную структуру, в нижней части парафинового воска не осталось.

    Хотя этот технический недостаток можно уменьшить за счет включения термической стратификации, рекомендуется дальнейшее техническое усовершенствование, включая, например, применение подходящей опорной конструкции. Тем не менее, при дальнейшем развитии концепции необходимо уделять внимание соответствующему соотношению между инвестициями и добавленной стоимостью, что было бы неудовлетворительным, учитывая только увеличение общей мощности.

    С учетом этого предвидения во второй серии экспериментов изучалась техническая осуществимость эффектов самоуплотнения, а также были выявлены значительные преимущества нового представленного подхода:

    • После выхода из искусственно созданных протечек парафин охладился уже после очень коротких расстояний от герметизирующей фольги.
    • Кроме того, доля потерянного парафинового воска сравнительно невелика — всего от 1,5% до 17%.
    • Формованные тела, особенно на более крупнозернистых субстратах, приводили к предполагаемому засорению дефектов герметизирующей мембраны.
    • Таким образом, механизм был эффективен для всех сценариев различных типов утечек и размеров дефектов, а также в случае различных окружающих материалов.

    Однако, проанализировав несколько влияющих параметров, также можно было выявить потенциальные недостатки и технические недостатки представленной концепции:

    • Особенно в случае широко распространенных диффузных дефектов материала (например,г. перфорации), преобладает повышенный риск больших потерь парафина, поскольку тепло может непрерывно подводиться к большой площади через оставшийся слой парафина.
    • Теплая поверхность резервуара для хранения позволила парафиновому воску растекаться по этой структуре в направлении силы тяжести.
    • При этих предпочтительных направлениях потока полное закрытие утечки не может быть обеспечено, потому что желаемый эффект засорения может быть реализован только в одном направлении, в то время как диспергирование вдоль внешней поверхности накопления может по-прежнему приводить к большим потерям парафинового воска.

    В заключение можно сказать, что общая цель исследования как доказательства концепции является успешной, хотя на данный момент существуют непредвиденные риски, препятствующие прямому внедрению в крупномасштабные приложения. Могут быть продемонстрированы как тепловое использование, так и увеличение емкости хранения, но парафиновый воск оказался очень подвижным после процесса плавления, что также создает проблему для желаемого механизма самоуплотнения. Следовательно, в будущем необходимо будет сосредоточить внимание исключительно на технических аспектах, чтобы направить эту многообещающую концепцию на реализацию в полевых условиях.

    Благодарности

    Парафиновый воск, использованный в экспериментах, был подарен Hansen & Rosenthal KG, Гамбург, Германия для исследовательских целей. Авторы признают эту поддержку исследования. Кроме того, авторы выражают признательность научному сотруднику Ханнесу Хеммерле и студенту-ассистенту Маянку Паранджапе, внесшим существенный вклад в установку и проведение экспериментов, а также Райану Пирсону за редактирование языка.

    Ссылки

    1. 1.Ботт К., Дрессел И., Байер П. Обзор современного состояния закрытых сезонных систем хранения тепловой энергии на водной основе. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 2019; 113: 109241.
    2. 2. Сюй Дж., Ван Р.З., Ли Ю. Обзор доступных технологий для сезонного хранения тепловой энергии. Солнечная энергия. 2014; 103: 610–38.
    3. 3. Шах С.К., Ай Л., Рисманчи Б. Сезонная система хранения тепловой энергии для зон с холодным климатом: обзор последних событий. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии.2018; 97: 38–49.
    4. 4. Сарбу Иоанн и Себархиевич Калин. Комплексный обзор аккумулирования тепловой энергии. Устойчивость. 2018; 10: 191.
    5. 5. Динсер И., Розен М. Накопление тепловой энергии: системы и приложения. 2-е изд. Хобокен, штат Нью-Джерси: Wiley; 2011.
    6. 6. Зискинд Г. Накопление тепловой энергии: состояние и недостатки в энергосистеме. В: 7-й Швейцарский симпозиум по хранению тепловой энергии. Люцерн; 2020.
    7. 7. Koohi-Fayegh S, Rosen MA.Обзор типов накопителей энергии, приложений и последних разработок. Журнал хранения энергии. 2020; 27: 101047.
    8. 8. Махфуз М.Х., Анисур М.Р., Кибрия М.А., Сайдур Р., Мецелаар IHSC. Исследование производительности системы аккумулирования тепловой энергии с использованием материала с фазовым переходом (PCM) для солнечного нагрева воды. Международные коммуникации в тепло- и массообмене. 2014; 57: 132–9.
    9. 9. Zhou D, Zhao CY, Tian Y. Обзор накопления тепловой энергии с использованием материалов с фазовым переходом (PCM) в строительных приложениях.Прикладная энергия. 2012; 92: 593–605.
    10. 10. Кабир М. С., Йола И. А. Пчелиный воск как низкотемпературный материал с фазовым переходом для аккумулирования тепла. Научный журнал FUDMA (FJS). 2020; 4: 764–9.
    11. 11. Паласиос А., Конг Л., Наварро М.Э., Динг Й., Барренеш К. Методы измерения теплопроводности для определения характеристик материалов, аккумулирующих тепловую энергию — обзор. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 2019; 108: 32–52.
    12. 12. Airò Farulla G, Cellura M, Guarino F, Ferraro M.Обзор термохимических систем хранения энергии для поддержки электросетей. Прикладные науки. 2020; 10: 3142.
    13. 13. Калайсельвам С., Парамешваран Р. Технологии хранения тепловой энергии для обеспечения устойчивости.
    14. 14. Хесараки А., Холмберг С., Хагигат Ф. Сезонное хранение тепловой энергии с помощью тепловых насосов и низких температур в строительных проектах — сравнительный обзор. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии. 2015; 43: 1199–213.
    15. 15. Ян, Т., Лю В., Крамер Дж. Дж., Сан К. Современное состояние дел в области сезонного накопления ощутимого тепла. В: Международная конференция по прикладной энергии 2019 г. Вестерос, Швеция; 2019. стр. 349.
    16. 16. Беспалько С, Миранда AM. Обзор существующих технологий аккумулирования тепла: Явное тепло. Acta Innovations. 2018; 28: 82–113.
    17. 17. Рад FM, Fung AS. Солнечная коммунальная система отопления и охлаждения с хранением тепловой энергии в скважине — Обзор систем. Обзоры возобновляемых и устойчивых источников энергии.2016; 60: 1550–61.
    18. 18. Ланахан Майкл и Табарес-Веласко Пауло Сезар. Сезонное накопление тепловой энергии: критический обзор систем BTES, моделирования и проектирования систем для повышения эффективности системы. Энергии. 2017; 10: 743.
    19. 19. Хукстра Н., Пеллегрини М., Блумендаль М., Спаак Г., Андреу Гальего А., Родригес Коминс Дж. И др. Расширение рыночных возможностей технологий возобновляемых источников энергии с помощью инноваций в области хранения тепловой энергии в водоносных горизонтах. Sci Total Environ.2020; 709: 136142. pmid: 31