CZ284998B6 - Solná směs, způsob její výroby a použití - Google Patents

Abstract

Řešení se týká solných směsí hexahydrátu dusičnanu hořečnatého a dusičnanu lithného v hmotnostním poměru 86 až 81:14 až 19 k akumulaci a využití tepelné energie ve formě tepla fázové přeměny. Hodí se výborně jako prostředky pro akumulaci latentního tepla pro akumulátory k akumulaci a využití odpaního tepla motorů motorových vozidel.ŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká solných směsí k akumulaci tepla ve formě tepla fázové přeměny. Dále se vynález týká způsobu výroby těchto solných směsí a jejich použití jako akumulačního prostředku pro latentní teplo k akumulaci a využití odpadního tepla z motorů motorových vozidel.

Dosavadní stav techniky

Užitečná je ta tepelná energie poskytovaná libovolnými energetickými systémy, kterou je možno akumulovat a v případě potřeby ji získat zpět. K. tomuto druhu zdrojů tepelné energie patří například solární zářivá energie, odpadní teplo některých strojů, například motorů motorových vozidel, technologické teplo, nebo také často z důvodů energetické hospodárnosti i pro příznivější cenu nabízená elektrická energie (noční proud).

Tak je mimořádně výhodné vybavení motorových vozidel akumulátorem tepla, zapojeným do olejového mazacího okruhu a/nebo do oběhu chladicí kapaliny, což má výhodu vtom, že po delším stání vychladlý motor může rychle dosáhnout provozní teploty využitím tepla naakumulovaného v předchozím provozu. Tím se podstatně zkrátí zahřívací fáze chodu motoru. Jak je známo, při zahřívací fázi chodu motoru dochází ke zvýšení spotřeby paliva, nepříznivému složení výfukových plynů a vyššímu opotřebování motoru.

Je známo, že při tání látky, tj. při přechodu zpěvné fáze do kapalné, se teplo spotřebovává, tj. pohlcuje, pokud trvá kapalný stav, latentně se akumuluje, a že toto latentní teplo se opět uvolňuje při tuhnutí, tzn. při přechodu z kapalné fáze do pevné fáze. Je tedy důležité najít látky, jejichž teplota tání leží v rozsahu odpovídajícím úrovním úrovni teploty při předávání tepla a které mají vysoké teplo fázové přeměny. Tak je například žádoucí, aby teplota tání látky pro akumulaci tepla odpadajícího z motoru motorového vozidla ležela v rozsahu 70 až 80 °C, nejlépe při 75 °C. Dále musí tyto látky být v celém rozsahu maximální provozní teploty motorového vozidla stálé (cca 125 °C) a nesmějí korozivně působit na agregáty motorového vozidla.

Dále je nutné, aby takové látky pro akumulaci latentního tepla vykazovaly dostatečnou stabilitu během libovolného počtu cyklů tání a tuhnutí a nevykazovaly změny teploty fázové přeměny a tepla fázové přeměny.

V DE-OS 39 29 900 se navrhují látky vhodné z hlediska fázové přeměny založené na směsi dusičnanu hořečnatého s dusičnany alkalických kovů a kovů alkalických zemin. Speciálně pro akumulaci tepla z motorů motorových vozidel se doporučují směsi hexahydrátu dusičnanu hořečnatého /Mg(NO₃)₂.6 H₂O/ a dusičnanu lithného /LiNO₃/ v hmotnostním poměru asi 9 : 1. Tak se zde uvádí jako příklad směs, definovaná jako 92 až 87 g hexahydrátu dusičnanu hořečnatého spolu s 8 až 13 g dusičnanu lithného, mající teplotu tání 70 ± 2 °C a skupenské teplo tání 54,32 Wh/kg (odpovídající 195,6 J/g).

Ukázalo se však, že tento známý materiál pro fázovou přeměnu j iž po malém počtu cyklů tánítuhnutí má sklon k separaci fází. Potom již dokonale neroztaje, a tím se jeho teplo fázové přeměny a tím i kapacita akumulace drasticky snižuje.

Přesnější studium této směsi ukazuje, že teplo fázové přeměny leží jen okolo 158 J/g a není tedy optimální. Nepříznivým jevem je také, že teplota tání leží na dolním konci požadovaného rozsahu.

- 1 CZ 284998 B6

Úkolem vynálezu proto je vyvinutí solné směsi vhodné k použití jako prostředek akumulující latentní teplo, obzvláště pro akumulaci tepla chladicí vody motorových vozidel, kteiý má po neomezeném počtu cyklů tání-tuhnutí neměnnou vysokou hodnotu tepla přeměny a tudíž je optimální z hlediska teploty tání i tepla fázové přeměny.

Podstata vynálezu

Nyní bylo zjištěno, že solné směsi hexahydrátu dusičnanu hořečnatého a dusičnanu lithného v hmotnostním poměru 86 až 81 : 14 až 19 a speciálně eutektická směs těchto dvou solí v hmotnostním poměru 83,7 : 16,3 podstatně předčí dříve známé směsi. Teploty tání solných směsí s těmito hmotnostními poměiy tak leží podstatně nad 72 °C, zejména nad 75 °C. Vyšší teplota tání je tak bližší provozní teplotě motorů motorových vozidel a tím je pro tepelné akumulátory motorových vozidel zvlášť příznivá. Solné směsi podle vynálezu dále vykazují vyšší entalpii krystalizace, respektive tání než odpovídající solné směsi s jinými hmotnostními poměry.

V praxi to znamená, že například při daném množství soli může být za použití směsí solí podle vynálezu při teplotě fázové přeměny přijato větší množství tepla, které je potom znovu k dispozici. Pro danou potřebu množství tepla je zase nutné menší množství solné směsi a tedy akumulátory tepla mohou být menší a mohou mít lehčí konstrukci.

Zvláště výhodná je eutektická směs hexahydrátu dusičnanu hořečnatého a dusičnanu lithného.

V této směsi jsou obě složky přítomny v hmotnostním poměru 83,7 : 16,3. Tato směs při teplotě tání 75,6 °C a při teplu fázové přeměny 171,5 J/g má optimální vlastnosti.

Předmětem vynálezu je tedy solná směs na bázi dusičnanu hořečnatého a dusičnanu lithného k akumulaci a využití tepelné energie ve formě tepla fázové přeměny, jejíž podstata spočívá v tom, že se skládá z hexahydrátu dusičnanu hořečnatého a dusičnanu lithného v hmotnostním poměru 86 až 81 : 14 až 19.

Předmětem vynálezu je také způsob výroby výše definované solné směsi, jehož podstata spočívá v tom, že se směs hexahydrátu dusičnanu hořečnatého a dusičnanu lithného taví v uzavřené nádobě, přičemž stupeň plnění je vyšší než 70 %.

Předmětem vynálezu je dále také použití výše definované solné směsi jako prostředku pro akumulaci latentního tepla v tepelných akumulátorech pro akumulaci a využití odpadního tepla motorů motorových vozidel.

Přehled obrázků na výkrese

Obr. 1 ukazuje DSC (Differential Scanning Calorimetry) - diagram solné směsi hexahydrátu dusičnanu hořečnatého a dusičnanu lithného v hmotnostním poměru 9: 1 podle DE-OS 39 29900 a obr. 2 DSC-diagram směsi podle vynálezu z 83,7 hmotnostních dílů hexahydrátu dusičnanu hořečnatého a 16,3 hmotnostních dílů dusičnanu lithného. Je patrné, že v diagramu podle obr. 1 se vyskytují 2 maxima v širokém rozmezí teploty tání od asi 70 °C do 88 °C, zatímco v diagramu podle obr. 2 se vyskytuje jen jediné maximum v rozmezí asi 71 až 78 °C se středem při 75,6 °C. Skupenství teplo tání vypočtené integrací maxim je u materiálu podle DE-OS 39 29 900 159,2 J/g a u solné směsi podle vynálezu 171,5 J/g.

Zvlášť překvapující je zjištění, že solné směsi podle vynálezu jsou mimořádně stabilní a po prakticky neomezeném počtu cyklů tání-tuhnutí nevykazují žádné změny teploty fázové přeměny a tepla fázové přeměny.

-2CZ 284998 B6

V této souvislosti se jako důležité ukázalo vyrábět materiál pro akumulaci latentního tepla tak, aby směs hexahydrátu dusičnanu hořečnatého a dusičnanu lithného tála v uzavřené nádobě s malým volným objemem. To znamená, že po roztavení má směs vyplňovat více jak 70 % objemu nádoby. Je-li volný objem uzavřené nádoby příliš velký, dochází totiž z malé části k odvodnění směsi, například kondenzací vodných kapek na volném povrchu uzavřené nádoby. Tím se znatelně mění teplo fázové přeměny solné směsi. Aby nevycházelo ke zhoršení tepelné bilance ani po větším počtu cyklů, je proto žádoucí používat prostředku pro akumulaci latentního tepla podle vynálezu také v úplně uzavřených systémech.

Aby si prostředek pro akumulaci latentního tepla podle vynálezu udržel beze změn hodnotu skupenského tepla tání nejméně 170 J/g i po libovolném počtu cyklů tání a tuhnutí, ukázalo se dále jako důležité, aby se k přípravě směsi používal hexahydrát dusičnanu hořečnatého se skupenským teplem tání 110 J/g až 135 J/g a více. Ukázalo se totiž, že hexahydrát dusičnanu hořečnatého dostupný na trhu vykazuje podstatné odchylky skupenského tepla tání od šarže k šarži, které odpovídajícím způsobem ovlivňují entelpii tání solné směsi.

Příčina těchto odchylek ještě nemohla být s konečnou platností objasněna. Za pravděpodobnou příčinu je možné považovat kolísání obsahu krystalové vody podmíněné původem zboží a jeho výrobou. V každém případě je udaný rozsah skupenského tepla tání spolehlivým ukazatelem vhodnosti materiálu.

Dále došlo ke zjištění - také překvapivému - že hexahydrát dusičnanu hořečnatého je dimorfní, přičemž teplota přeměny mezi oběma krystalovými modifikacemi je okolo 72 °C a teplo přeměny okolo 12 J/g. V případě materiálu pro akumulaci latentního tepla podle vynálezu jsou tato tepla přeměny mezi oběma krystalovými modifikacemi hexahydrátu dusičnanu hořečnatého zřejmě integrovány do celkového tepla přeměny.

Jak ukázala rentgenologická vyšetření, jsou mřížkové konstanty hexahydrátu dusičnanu hořečnatého ve směsi získané táním směsi hexahydrátu dusičnanu hořečnatého a dusičnanu lithného významně zmenšeny. To byl mohlo ukazovat na částečnou tvorbu směsných krystalů typu Mg_xLi₂__2x(NO₃)₂.6 H₂O a zároveň to vysvětluje zjištění, že ve směsi po roztavení je možno pomocí rentgenového práškového diagramu indentifikovat volný dusičnan lithný jen ve velmi nevýznamné míře.

U solných směsí podle vynálezu, v nichž hexahydrát dusičnanu hořečnatého je v hmotnostním poměru k dusičnanu lithnému od 86 : 14 do 81 : 19, zvláště 83,7 : 16,3 (což odpovídá poměru od asi 35 do asi 45 % molámích dusičnanu lithného k asi 55 až asi 65 % molámím hexahydrátu dusičnanu hořečnatého, zvláště asi 40 % molámích dusičnanu lithného k asi 60 % molámím hexahydrátu dusičnanu hořečnatého, představují směsné krystaly Mg_xLi₂__2x(NO3)₂.6 H₂O prakticky hlavní součást. Nepřihlížíme-li k rentgenologickým údajům, tyto směsné krystaly se vyznačují paprskovitě jehlicovitým habitem. Tvorba těchto směsných krystalů nebyla dosud známa. Vynález je založen proto i na tomto novém objevu.

Solné směsi podle vynálezu jsou tedy zvlášť vhodné jako prostředky pro akumulaci latentního tepla pro akumulování odpadního tepla motorů motorových vozidel a jeho využití a tím jsou určeny pro použití v odpovídajících akumulátorech latentního tepla pro použití v motorových vozidlech.

-3 CZ 284998 B6

Příklady provedení vynálezu

Příklad

K přípravě směsi se komponenty hexahydrát dusičnanu hořečnatého a dusičnan lithný v hmotnostním poměru 83,7 : 16,3 v hermeticky uzavřené nádobě zahřívají ve vodní lázni s teplotou asi 90 °C až do vzniku čiré taveniny. Volný objem v reakční nádobě po roztavení je asi 15%. Po získání homogenní čiré taveniny se systém nechá vychladnout nebo se prudce ochladí na teplotu místnosti. Růst krystalů hlavní složky směsi Mg_xLÍ2_2x(NO₃)2.6 H₂O se vyznačuje paprsčitě jehlicovitým habitem.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Solná směs na bázi dusičnanu hořečnatého a dusičnanu lithného k akumulaci a využití tepelné energie ve formě tepla fázové přeměny, vyznačující se tím, že se skládá z hexahydrátu dusičnanu hořečnatého a dusičnanu lithného v hmotnostním poměru 86 až 81 : 14 až 19.
2. 2. Solná směs podle nároku 1, vyznačující se tím, že sestává z eutektické směsi hexahydrátu dusičnanu hořečnatého a dusičnanu lithného v hmotnostním poměru 83,7 : 16,3.
3. 3. Způsob výroby solné směsi podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že směs hexahydrátu dusičnanu hořečnatého a dusičnanu lithného se taví v uzavřené nádobě, přičemž stupeň plnění je vyšší než 70 %.
4. 4. Způsob výroby podle nároku 3, vyznačující se tím, že hexahydrát dusičnanu hořečnatého použitý k tvorbě směsi vykazuje hodnotu skupenského tepla tání 100 J/g až 135 J/g.
5. 5. Použití solné směsi podle nároku 1 nebo 2 jako prostředku pro akumulaci latentního tepla v tepelných akumulátorech pro akumulaci a využití odpadního tepla motorů motorových vozidel.