Материал с фазовым переходом - Phase-change material

Ацетат натрия грелка . Когда раствор ацетата натрия кристаллизуется, он становится теплым.

Воспроизвести медиа

Видео, показывающее "грелку" в действии

Материал с фазовым переходом ( РСМ ) представляет собой вещество , которое выбросы / поглощает энергию , достаточную при фазовом переходе , чтобы обеспечить полезное тепло / охлаждение. Обычно переход происходит от одного из первых двух основных состояний вещества - твердого и жидкого - к другому. Фазовый переход также может происходить между неклассическими состояниями вещества, такими как соответствие кристаллов, когда материал переходит от соответствия одной кристаллической структуре к соответствию другой, которая может быть более или менее энергетическим состоянием.

Энергия, выделяемая / поглощаемая при фазовом переходе от твердого тела к жидкости, или наоборот, теплота плавления обычно намного выше, чем явная теплота . Лед, например, тает 333,55 Дж / г, но тогда вода поднимется еще на один градус при добавлении всего 4,18 Дж / г. Поэтому вода / лед - очень полезный материал с фазовым переходом, который использовался для хранения зимнего холода для охлаждения зданий летом, по крайней мере, со времен Империи Ахеменидов.

Путем плавления и затвердевания при температуре фазового перехода (PCT) PCM способен накапливать и выделять большое количество энергии по сравнению с физическим накоплением тепла . Тепло поглощается или выделяется, когда материал превращается из твердого в жидкое и наоборот, или когда изменяется внутренняя структура материала; Соответственно, ПКМ называются материалами, аккумулирующими скрытую теплоту (LHS).

Существует два основных класса материалов с фазовым переходом: органические (углеродсодержащие) материалы, полученные из нефти, растений или животных; и солевые гидраты, в которых обычно используются либо природные соли из моря или минеральных отложений, либо являются побочными продуктами других процессов. Третий класс - переход от твердой фазы к твердой.

PCM используются во многих различных коммерческих приложениях, где требуется накопление энергии и / или стабильная температура, включая, среди прочего, грелки, охлаждение для телефонных коммутационных шкафов и одежду.

Безусловно, самый большой потенциальный рынок - это отопление и охлаждение зданий. PCM в настоящее время привлекают большое внимание для этого приложения из-за постепенного снижения стоимости возобновляемой электроэнергии в сочетании с ограниченными часами доступности, что приводит к несоответствию между пиковым спросом и доступностью предложения. В Северной Америке, Китае, Японии, Австралии, Южной Европе и других развитых странах с жарким летом пик предложения приходится на полдень, а пик спроса - примерно с 17:00 до 20:00. Это создает большой спрос на носители информации.

Материалы с переходом от твердой фазы к жидкой фазе обычно инкапсулируют для установки в конечном приложении, чтобы удерживать их в жидком состоянии. В некоторых применениях, особенно когда требуется включение в текстиль, материалы с фазовым переходом заключаются в микрокапсулы . Микроинкапсуляция позволяет материалу оставаться твердым в форме маленьких пузырьков, когда ядро ​​из ПКМ расплавляется.

Характеристики и классификация

Скрытое накопление тепла может быть достигнуто за счет изменения состояния вещества с жидкость → твердое тело, твердое тело → жидкость, твердое тело → газ и жидкость → газ. Однако для ПКМ применимы только переходы твердое тело → жидкость и жидкость → твердое тело. Хотя переходы жидкость-газ имеют более высокую теплоту превращения, чем переходы твердое тело-жидкость, фазовые переходы жидкость → газ непрактичны для хранения тепла, поскольку для хранения материалов в их газовой фазе требуются большие объемы или высокое давление. Переходы твердой фазы в твердую обычно происходят очень медленно и имеют относительно низкую теплоту превращения.

Первоначально твердо-жидкие ПКМ ведут себя как материалы, аккумулирующие явное тепло (СВС); их температура повышается по мере поглощения тепла. Однако в отличие от обычных СВС-материалов, когда ПКМ достигают своей температуры фазового перехода (точки плавления), они поглощают большое количество тепла при почти постоянной температуре, пока весь материал не расплавится. Когда температура окружающей среды вокруг жидкого материала падает, PCM затвердевает, высвобождая сохраненное скрытое тепло. Доступно большое количество ПКМ в любом требуемом диапазоне температур от -5 до 190 ° C. В пределах комфортного для человека диапазона от 20 до 30 ° C некоторые PCM очень эффективны, сохраняя более 200 кДж / кг скрытой теплоты по сравнению с удельной теплоемкостью около одного кДж / (кг * ° C) для кирпичной кладки. Таким образом, плотность хранения может быть в 20 раз больше, чем у кирпичной кладки на кг, если допускается колебание температуры на 10 ° C. Однако, поскольку масса кладки намного выше, чем у ПКМ, эта удельная (в расчете на массу) теплоемкость несколько компенсируется. Кладка стены может иметь массу 200 кг / м ² , поэтому для удвоения теплоемкости потребуются дополнительные 10 кг / м ² ПКМ.

Пример PCM на основе органических биологических материалов в оболочке из поли / фольги для обеспечения долговечности в зданиях, где он работает для снижения потребления энергии HVAC и повышения комфорта пассажиров.

Органические ПКМ

Углеводороды, в первую очередь парафины (C _n H _{2 n +2} ) и липиды, но также и сахарные спирты.

• Преимущества
  • Заморозить без особого переохлаждения
  • Способность плавиться конгруэнтно
  • Само зародышеобразование свойства
  • Совместимость с обычным материалом конструкции
  • Без сегрегации
  • Химически стабильный
  • Безопасный и нереактивный
• Недостатки
  • Низкая теплопроводность в твердом состоянии. Во время цикла замораживания требуется высокая скорость теплопередачи. Было обнаружено, что нанокомпозиты дают эффективное увеличение теплопроводности до 216%.
  • Объемная скрытая теплоаккумулирующая способность может быть низкой
  • Легковоспламеняющийся. Частично это можно облегчить с помощью специальных средств сдерживания.

Неорганический

Солевые гидраты (M _x N _y H ₂ O)

• Преимущества
  • Высокая объемная скрытая теплоемкость
  • Доступность и невысокая стоимость
  • Резкая температура плавления
  • Высокая теплопроводность
  • Высокая температура плавления
  • Не воспламеняется
• Недостатки
  • Трудно предотвратить несоответствующее плавление и разделение фаз при циклировании, которое может вызвать значительную потерю энтальпии скрытой теплоты.
  • Вызывает коррозию многих других материалов, например металлов. Этого можно избежать, заключив небольшие количества в инертный пластик.
  • Изменение объема в некоторых смесях очень велико.
  • Переохлаждение может быть проблемой при переходе твердое тело - жидкость, требуя использования зародышеобразователей, которые могут выйти из строя после повторных циклов.
    

    Пример: гидрат эвтектической соли PCM с зародышеобразователями и гелеобразователями для долгосрочной термостойкости и физической долговечности макрокапсулирования термопластичной фольги. Применяется для пассивной стабилизации температуры, что приводит к экономии энергии здания HVAC.

Гигроскопические материалы

Многие натуральные строительные материалы гигроскопичны, то есть они могут впитывать (конденсируется вода) и выделять воду (вода испаряется). Таким образом, процесс выглядит так:

• Конденсация (газ в жидкость) ΔH <0; энтальпия уменьшается (экзотермический процесс) отдает тепло.
• Испарение (жидкость в газ) ΔH> 0; энтальпия увеличивается (эндотермический процесс) поглощает тепло (или охлаждает).

Хотя этот процесс высвобождает небольшое количество энергии, большая площадь поверхности позволяет значительно (1-2 ° C) обогревать или охлаждать здания. Соответствующие материалы - шерстяной утеплитель и отделка штукатуркой земля / глина.

Твердотельные ПКМ

Специализированная группа ПКМ, которые претерпевают фазовый переход твердое тело / твердое тело с соответствующим поглощением и выделением большого количества тепла. Эти материалы изменяют свою кристаллическую структуру от одной конфигурации решетки к другой при фиксированной и четко определенной температуре, и преобразование может включать скрытую теплоту, сравнимую с наиболее эффективными твердыми / жидкими ПКМ. Такие материалы полезны, потому что, в отличие от твердых / жидких ПКМ, они не требуют зародышеобразования для предотвращения переохлаждения. Кроме того, поскольку это переход твердой фазы в твердую фазу, нет видимых изменений внешнего вида ПКМ и нет проблем, связанных с обращением с жидкостями, например, локализация, потенциальная утечка и т. Д. В настоящее время диапазон температур твердое-твердое Растворы PCM имеют диапазон температур от -50 ° C (-58 ° F) до +175 ° C (347 ° F).

Критерий выбора

Материал с фазовым переходом должен обладать следующими термодинамическими свойствами:

• Температура плавления в желаемом диапазоне рабочих температур
• Высокая скрытая теплота плавления на единицу объема
• Высокая удельная теплоемкость, высокая плотность и высокая теплопроводность
• Небольшие изменения объема при фазовом превращении и низкое давление пара при рабочих температурах для уменьшения проблемы с защитной оболочкой
• Конгруэнтное плавление
• Кинетические свойства
• Высокая скорость зародышеобразования во избежание переохлаждения жидкой фазы
• Высокая скорость роста кристаллов, поэтому система может удовлетворить потребности в рекуперации тепла из системы хранения.
• Химические свойства
• Химическая стабильность
• Полный обратимый цикл замораживания / плавления
• Отсутствие разложения после большого количества циклов замораживания / плавления
• Некоррозионные, нетоксичные, негорючие и невзрывоопасные материалы
• Экономические свойства
• Бюджетный
• Доступность

Теплофизические свойства

Общие PCM

Объемная теплоемкость (VHC) Дж · м ⁻³ · K ⁻¹

${\ Displaystyle \ mathrm {VHC} = \ rho c_ {p}}$

Тепловая инерция (I) = Тепловая эффузия (e) Дж · м ⁻² · K ⁻¹ · с ^−1/2

${\ displaystyle I = {\ sqrt {k \ rho c_ {p}}} = e = {(k \ rho c_ {p})} ^ {\ frac {1} {2}}}$

Коммерчески доступные ПКМ