CC BY
119
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 541.49
РАСПЛАВЫ-ТЕПЛОНАКОПИТЕЛИ
® 2009 Гаматаева Б.Ю., Гасаналиев А.М.
Дагестанский государственный педагогический университет
Рассмотрены способы аккумулирования тепловой энергии, критерии выбора материалов и принципы их разработки на основе расплавов. Изложены методологические основы исследования многокомпонентных систем с целью разработки рабочих материалов для нетрадиционных источников энергии.
Different ways of accumulating heat energy with the help of melting are discussed in the article. Methodological basis of multicomponent systems research aiming at exploiting working materials for non-traditional energy sources is briefly stated here.
Ключевые слова: тепловое аккумулирование, теплонакопители, расплавы, системы, принципы разработки, критерии выбора, энтальпия, теплоемкость.
Keywords: heat accumulation, heat accumulators, melts, systems, principles of the development, criteria of the choice, enthalpy, heat capacity.
Проблема теплового
аккумулирования приобретает особое значение в связи с возможностью решения важнейшей проблемы современной энергетики - снижение неравномерности производства и потребления энергии, а также в последние годы наметившимися успехами в освоении и использовании солнечной энергии [1, 2]. Необходимость теплового аккумулирования в этом случае объясняется периодическим и случайным характером падающей на землю солнечной радиации и, как следствие этого, несовпадением во времени количества поступающей и потребляемой энергии.
Поэтому в настоящее время исследуются возможности
использования результатов изучения диаграмм плавкости и химического взаимодействия в
многокомпонентных системах для разработки рабочих материалов-теплоносителей (накопителей)
нетрадиционных источников энергии [3-5].
Основными областями применения теплоаккумулирующих материалов (ТАМ) являются [7-8]:
- приборостроение - для теплосъема при больших тепловых нагрузках и термостабилизации;
теплоэнергетика - для рационального использования
тепловой и солнечной энергии;
- бытовая техника - для создания комфортных условий, для хранения пищевых продуктов.
В данной статье пойдет речь о способах аккумулирования тепловой энергии и методологической основе разработки ТАМ на основе многокомпонентных систем (МКС).
Способы аккумулирования
тепловой энергии с
использованием расплавов
Аккумулирование тепловой энергии осуществляется за счет [4]:
- теплоемкости твердой и жидкой среды,
- скрытой теплоты фазовых переходов,
- тепловых эффектов химических реакций.
Аккумулирование тепла за счет теплоемкости твердой и жидкой среды
Этот способ является одним из самых распространенных. Он основан на теплоемкости расплавов. Использование расплавов для аккумулирования тепла следует рассматривать в упрощенном виде, учитывая, что удельная теплоемкость не зависит от температуры и представляет собой постоянную величину. Если учесть, что существует фазовый переход между исходной и соответствующей
состоянию аккумулированного тепла температурами, можно установить следующую зависимость: количество тепла (О), аккумулированное теплоемкостным ТАМ (ТТАМ), равно произведению массы материала (т), удельной теплоемкости (Ср) и разности конечной и начальной температур (ДТ) аккумулирования
тепла:
Оттам = т- СрДТ
Если учесть, что ТАМ имеют объем (V) и плотность (р), то уравнение приобретает следующий вид:
Оттам = V- р СрДТ.
Из этого можно сделать вывод, что количество запасенной теплоты
может быть достигнуто за счет увеличения перепада температур или путем повышения величины произведения теплоемкости на плотность.
Аккумулирование тепла с использованием скрытой теплоты фазовых переходов
Вещества, находящиеся в твердом состоянии, могут претерпевать фазовые переходы из одной критической модификации в другую, в частности, переход из
кристаллического состояния в
жидкое. В этом случае отдача тепла происходит за счет создания кристаллической структуры, а
аккумулирование - за счет создания другого типа кристаллической структуры или ее разрушения при плавлении.
Вещества, которые при отрицательных температурах по
шкале Цельсия переходят из
кристаллического состояния в жидкую фазу, отдавая при этом аккумулированный холод, называют хладоаккумулирующими материалами (ХАМ) [6]. Твердое вещество из кристаллического состояния может, минуя жидкое, переходить в газообразное состояние. Этот процесс называется сублимацией. Жидкое вещество отнимает тепло от среды при испарении, при конденсации пара тепло отдается среде.
Вещества, аккумулирующие тепло при испарении и сублимации называются испаряющимися и
сублимирующимися теплоаккумулирующими материалами (ИТАМ и СТАМ). Количество аккумулированного тепла сублимирующимся материалом может быть приравнено к сумме теплот испарения и плавления. Теплоаккумулирующие материалы, в которых происходит накопление тепла за счет фазовых переходов, называют фазопереходными
теплоаккумулирующими (ФПТАМ).
Количество тепла (ОФПТАМ), аккумулированное ФПТАМ, равно произведению удельного теплового эффекта фазового перехода (ДН) и массы материала (т):
Офптам = ДН • т
Из данного уравнения следует, что количество запасенной теплоты при
этом может быть достигнуто как за счет увеличения теплового эффекта, так и путем повышения массы теплонакопителя.
Химическое аккумулирование
Химическое аккумулирование - это накопление и отдача тепла за счет химических превращений.
Теплоаккумулирующие материалы, накопление тепла которыми
происходит за счет протекания химических реакций, называют
термохимическими теплоаккумулирующими материалами (ТХТАМ).
При химическом аккумулировании возможно использование тепловых эффектов как обратимых (ТАМ многократного действия), так и необратимых (ТАМ однократного действия) химических реакций.
Химическое аккумулирование позволяет сохранить большее
количество энергии практически без потерь и передавать ее на большие расстояния.
Количество тепла (О),
аккумулированное ТХ ТАМ, равно произведению удельного тепла эффекта химической реакции (ДНхр) и массы материала (т):
Отхтам = ДНх.р' т.
Сравнительный анализ различных типов ТАМ показывает, что ФПТАМ аккумулируют количество тепла на порядок больше, чем материалы, не претерпевающие фазовые переходы. Это обусловлено тем, что для многих веществ величина энтальпии
фазового перехода значительно
больше теплоемкостного эффекта, особенно при аккумулировании
средне- и низкопотенциальной тепловой энергии, когда рабочий диапазон температур является не очень широким. Испаряющиеся и сублимирующиеся ТАМ
аккумулируют тепло в 3-5 раз больше, чем плавящиеся, а термохимические аккумулируют тепла на порядок больше, чем
испаряющиеся [6].
Критерии выбора
теплоаккумулирующих материалов
Выбор ТАМ диктуется, прежде всего, уровнем рабочей температуры теплового аккумулятора и количеством тепловой энергии, которую необходимо аккумулировать. Поэтому особое значение для теплоаккумулирующих материалов имеют [3-4]:
- температура плавления (кристаллизации),
- значение удельной энтальпии фазового перехода,
- высокая удельная теплоемкость,
- высокая теплопроводность,
- высокая плотность,
- низкая вязкость в жидкой фазе,
- термохимическая и
термодинамическая стабильность в рабочем диапазоне температур,
- низкий коэффициент теплового расширения,
- негигроскопичность,
- малая упругость паров.
При создании химических аккумуляторов тепла важнейшей проблемой является выбор
химических реакций, которые
отвечали бы дополнительно следующим требованиям:
- энтальпия реакций должна иметь значение более 250 кДж/кг или с учетом газообразных продуктов -более 1800 кДж/л,
- объемная плотность запасенной энергии должна быть максимальной при минимальном объеме продуктов реакции.
Кроме перечисленных
характеристик ТАМ должны удовлетворять еще и таким эксплуатационным требованиям, как безопасность использования, легкость поглощения и выведения тепла, стабильность теплофизических
свойств при многократном повторении рабочих циклов, нетоксичность и неагрессивность по отношению к конструкционным материалам.
Таким образом, разработка
перспективных ТАМ заключается в поиске индивидуальных соединений
или смесей, в которых оптимально сочетались бы перечисленные выше свойства. Однако на практике
нахождение таких материалов
является сложной задачей, поскольку если некоторые из этих свойств можно совместить в одном
материале, то другие нет. Поэтому предварительная оценка
теплофизических свойств известных ТАМ и выбор физико-химических систем для экспериментального выявления новых материалов должны быть осуществлены с учетом
наиболее важных с точки зрения теплового аккумулирования
параметров, каковыми являются рабочая температура, удельная энтальпия и плотность.
Принципы разработки ТАМ на основе МКС
Теоретической основой создания новых материалов является изучение диаграмм состав-свойство и описание химического взаимодействия в различных физико-химических
системах. Нами выявлены мировые тенденции разработки ТАМ на основе МКС из расплавов, представляющие интерес для использования в нетрадиционных источниках энергии.
Исследование диаграмм состав-свойство систем потребовало
создание лабораторий, оснащенных аппаратурой и разработку
методологий и методов. Нами определены экспрессные
теоретические методы исследования и комплексные методологии изучения многокомпонентных систем,
позволяющие уменьшить
трудоемкость экспериментальных исследований, но не исключающие их. На основе МКС из неорганических веществ могут быть разработаны все вышеуказанные типы ТАМ. Нами предлагаются следующие этапы исследования МКС этой с целью:
1. Выбор индивидуальных соединений, потенциально пригодных по своим свойствам для теплового а ккумул ирования.
2. Формирование многокомпонентных систем. Причем наиболее энергоемкими будут те системы, в которых протекают реакции взаимного обмена между компонентами.
3. Дифференциация, формирование древа фаз и древа кристаллизации, изучение диаграмм плавкости наиболее перспективных элементов огранения и подсистем, позволяющее выявить эвтектические смеси, пригодные в качестве ТАМ.
4. Описание химического
взаимодействия во взаимных системах, что дает возможность выбора термохимических реакций обмена для химического
аккумулирования.
5. Изучение теплофизических и
термодинамических свойств,
выявленных ТАМ, с целью выбора наиболее энергоемких.
6. Проведение лабораторных и
полупромышленных испытаний для оценки теплоаккумулирующих
способностей и технологических характеристик выявленных
материалов.
Таким образом, создание ТАМ на основе МКС представляет собой совокупность взаимосвязанных задач от выбора компонентов по определенным критериям для формирования физико-химических систем до разработки конструкции теплового аккумулятора.
Заключение
Нами ведутся разработки ФП и ТХТАМ с использованием неорганических соединений (оксидов, солей, гидрооксидов) щелочных и щелочноземельных металлов.
Основные теплофизические
свойства полученных ТАМ расположены в следующих пределах значений:
- температура: 80 < 1 > 16000С;
- тепловые эффекты: 90 < ДН > 950 кДж/кг;
- плотность: 1880 < р > 3000 кг/м3.
Все материалы экологически
безопасны, обладают
термохимической и экономически доступны. Разработка
термодинамической устойчивостью в ведется на уровне авторских
пределах рабочей температуры, изобретений и патентов.
Примечания
1. Волков Е.Ф., Воронков М.Е. Перспективные системы аккумулирования теплоты для энергетических установок // Матер. Всесоюзного научно-технического совещания «Аккумулирование энергии и пути повышения эффективности работы электростанции и экономии энергии». М. : ЭНИН, 1986. Ч. 2. С.22-26. 2. Воронков М.Е., Глюза А.Г., Чаховский В.М. Аккумулирование тепла в системах теплоснабжения с АТЭЦ // Атомные энергетические установки теплоснабжения // Матер. Всесоюзного научного семинара «Методы комплексной оптимизации установок по преобразованию тепловой и атомной энергии в электрическую». М. : Информэнерго, 1984. С. 141-145. 3. Гаматаева Б.Ю. Теплоаккумулирующие материалы на основе пятерной взаимной системы Li,Na,K,Sr//CI,NO3. Дис ... канд. хим. наук. М. : ИОНХ РАН, 1995. 108 с. 4. Гасаналиев А.М., Гаматаева Б.Ю. Теплоаккумулирующие свойства расплавов // Успехи химии. 2000. Т. 69. №2. С. 192-200. 5. Гасаналиев А.М., Дибиров М.А., Мозговой А.Г., Бочков М.М. Теплофизические свойства теплоаккумулирующих материалов // ЖНХ. 1993. Т.66. №6. С. 1210-1216. 6. Данилин В.Н. Физическая химия тепловых аккумуляторов. Краснодар : КПИ, 1981. 91 с. 7. Лялик Г.Н., Шухрай В.В. Условия определения рациональных масштабов и структуры систем аккумулирования в энергосистемах // Матер. Всесоюзного научно-технического совещания «Аккумулирование энергии и пути повышения эффективности работы электростанции и экономии энергии». М. : ЭНИН, 1986. 4.2. С. 50-51. 8. Чаховский В.М. Состояние, перспективы и научно-технические проблемы создания энергетических, теплоаккумулирующих установок и устройств // Матер. Всесоюзного научно-технического совещания «Аккумулирование энергии и пути повышения эффективности работы электростанции и экономии энергии». М. : ЭНИН, 1986. 4.1. С. 13-21.
Статья поступила в редакцию 15.06.2009 г.
