CC BY
67
621.226
ХОЛОДОАККУМУЛЯТОРЫ НА ОСНОВЕ ТРОЙНЫХ ВОДНОСОЛЕВЫХ СИСТЕМ ХЛОРИДОВ КАЛИЯ, НАТРИЯ И АММОНИЯ
О.Д. ЕФИМОВ, В.Н. ДАНИЛИН
Кубанский государственный технологический университет
Аккумулированию холода в последнее время уделяют большое внимание. Это связано с тем, что оно получило широкое применение для стабилизации температуры ниже 0°С некоторых элементов радио- и оптоэлектронной аппаратуры, в холодильной технике, для хранения и транспортировки медицинских препаратов и пищевых продуктов. Использование аккумуляторов холода способствует сглаживанию суточных и сезонных пиков потребления, снижению энергетических расходов.
Разработка холодоаккумулирующих материалов с заранее заданными свойствами - задача физикохимического исследования, позволяющего установить зависимость между составом и свойствами индивидуальных веществ и их смесей.
Соли являются перспективным классом аккумуляторов холода. Их свойства определяются ионным характером связей и в жидком, и в твердом состояниях. Известно, что многие неорганические соли образуют с водой как1 кристаллогидраты с температурой плавления выше 0°С, так и эвтектические растворы с температурой плавления ниже 0°С. Эвтектические составы могут быть использованы для аккумулирования холода, поскольку обладают более высокой теплотой фазового перехода и имеют достаточно низкую стоимость.
Применение холодоаккумулирующих материалов на основе водно-солевых систем ограничено из-за отсутствия достаточного количества разработанных веществ, пригодных для этих целей, которые должны характеризоваться следующими основными свойствами:
необходимой температурой плавления (кристаллизации);
высокой теплотой плавления; надежной обратимостью температуры плавления и кристаллизации при многократных фазовых переходах;
незначительным переохлаждением; малой токсичностью, взрыво- и пожаробезопасностью.
Основной метод экспериментального исследования диаграмм фазового равновесия в данной работе - высокочувствительный и наиболее совершенный из всех существующих термических методов фазового анализа - метод дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК). Он позволяет исследовать всевозможные превращения простых и сложных систем по сопровождающим их тепловым эффектам. Одним из достоинств дифференциального сканирующего калориметра
является постоянство скорости изменения температуры системы - сканирование. Температура эталона изменяется равномерно с одной и той же скоростью. Подвод тепла к исследуемой пробе изменяется так, чтобы поддерживать нулевую разность температур между пробой и эталоном. Требуемая для этого энергия регистрируется как функция температуры пробы и отображается на термограмме.
Поскольку прямым результатом измерения в ДСК является теплота, выделенная или поглощенная объектом во время его превращения, этот метод может стать источником достоверных экспериментальных данных плавления водно-солевых систем.
Метод ДСК позволяет не только измерять энтальпию, но и определять точную температуру или интервал температур, при которых имеет место экзо- или эндотермический эффект, измерять теплосодержание системы.
Цель работы - получение надежных экспериментальных данных для дальнейшего их использования при проектировании аккумуляторов холода с заданными свойствами. Наш эксперимент включал в себя исследование тройных водно-солевых систем хлоридов натрия, калия и аммония.
В литературе отсутствуют данные об эвтектике системы хлорид калия-хлорид аммония-вода. Все сведения о ней, представленные методами растворимости, описывают заэвтектическую область, поэтому нами были проведены достаточно подробные исследования данной системы.
Хлористый калии
Средой охлаждения служил жидкий азот, температура кипения которого позволяла охлаждать образцы до требуемых значений. Сканирование проводили в атмосфере газообразного гелия. Каждый опыт повторяли трижды для исключения случайной ошибки. Эталоном сравнения служила чистая, вода. Скорость сканирования составляла 0,5-2 град./мин, чувствительность определения тепловых эффектов - 0,15 Дж/г, массы исследуемых навесок брались в пределах 0,01-0,04 г. Относительные ошибки определений составили: по энтальпиям плавления 2-4%, по температуре плавления 0,5%.
Таблица
Твердая фаза МыаС1. МОЛ.% Иксі. мол.% Температура, К Теплота кристаллизации раствора, Дж/ г
КСІ- №С1- н2о
1ЧаС1-2Н20 + КСІ + 8,7 1.75 250,3 380,5
4 лед
№СЬ2Н20 + ЫаСЛ + КСІ 9,3 1,92 286,5 359,3
Г ЫН.,с;- і\аС1-Н20
№С1-2Н,0 + N№,01 7,4 3 248,1 317,9
+ лед
№С1-2Н20 + №С1 + 7,6 3,4 274,5 383,3
ЫН4С1
Были исследованы 6 политермических разрезов. Квазибинарные сечения І, II, III соответствуют мольным соотношениям компонентов хлористый калий : вода 1 : З, 1 : 1, 3 : 1. Сечения IV, V, VI соответствуют мольной доле хлористого аммония 14, 16 и 18 мол.%.
По результатам экспериментальных данных была построена поверхность первичной кристаллизации системы (рисунок). Была изучена также околоэвтектическая область и определена координата эвтектики.
Координаты точки эвтектики системы КО-МЬЦО-НгО определены при соотношении КС1 - 2,9; НН4С1 - 5,2 мол.% Температура плавления 255,14 К; теплота кристаллизации раствора 328,9 Дж/г.
Информация об исследованиях систем хлорид натрия—хлорид аммония—вода, хлорид натрия-хлорид калия—вода представлена до сих пор методами растворимости. Анализ литературных данных свидетельствует о расхождениях в описаний эвтектических и околоэвтектических областей.
С целью уточнения координат эвтектик, а также образования соединений в околоэвтектических областях были проведены исследования методом ДСК аналогично проведенным для системы хлорид аммония-хлорид калия-вода. В результате были получены координаты эвтектик, уточнено образование соединения в околоэвтектической области. Координаты точек эвтектики и перетектики, а также теплота плавления исследуемых систем представлены в таблице.
Проведенные исследования показали, что рассмотренные составы соответствуют требованиям, предъявляемым к холодоаккумуляторам.Они имеют высокую удельную теплоту плавления, при этом величина переохлаждения в рабочих интервалах температур от 240 до 270 К составляет 2-5°С. Это позволяет рекомендовать исследованные составы в качестве аккумуляторов холода в пищевой промышленности. ' ' '
Кафедра физической и коллоидной химии
Поступила 26.11.01 г. ’ ' -
