RU2763355C1 - Теплоаккумулирующий состав на основе смеси гексагидрата нитрата цинка и его оксида - Google Patents
Теплоаккумулирующий состав на основе смеси гексагидрата нитрата цинка и его оксида Download PDFInfo
- Publication number
- RU2763355C1 RU2763355C1 RU2020137368A RU2020137368A RU2763355C1 RU 2763355 C1 RU2763355 C1 RU 2763355C1 RU 2020137368 A RU2020137368 A RU 2020137368A RU 2020137368 A RU2020137368 A RU 2020137368A RU 2763355 C1 RU2763355 C1 RU 2763355C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- nitrate hexahydrate
- temperature
- composition
- heat
- zinc nitrate
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
- C01G9/00—Compounds of zinc
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C01—INORGANIC CHEMISTRY
- C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
- C01G9/00—Compounds of zinc
- C01G9/02—Oxides; Hydroxides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
- C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
- C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
- C09K5/06—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to solid or vice versa
- C09K5/063—Materials absorbing or liberating heat during crystallisation; Heat storage materials
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области теплосберегающих и энергосберегающих технологий. Теплоаккумулирующий состав на основе смеси гексагидрата нитрата цинка и его оксида включает гексагидрат нитрата цинка, оксид цинка, активированный уголь и карбоксиметилцеллюлозу. Теплоаккумулирующий состав характеризуется температурой фазового перехода, обеспечивающего работоспособность состава в качестве температуроподдерживающего материала, между 30 и 36°С. Указанный состав приготовлен путем плавления гексагидрата нитрата цинка в смеси с оксидом цинка в течение 30 мин с постоянным перемешиванием, выдерживания в течение 10 мин, последовательного добавления активированного угля и карбоксиметилцеллюлозы и дальнейшего перемешивания в течение 3 ч с контролем температуры 60°С. Изобретение позволяет получить материал для аккумулирования избытка тепловой энергии с целью отопления или кондиционирования помещений, салонов автотранспорта. 4 ил., 1 табл., 1 пр.
Description
Изобретение относится к теплоаккумулирующим материалам, которые хранят и отдают тепло за счет процессов фазового перехода и могут применяться для аккумулирования избытка тепловой энергии с целью отопления или кондиционирования помещений, салонов автотранспорта и поддержания температуры. Предлагаемый теплоаккумулирующий материал характеризуется температурой фазового перехода между 30 и 36°С. Материал возможно использовать в каскадной системе отопления в качестве низкотемпературного слоя. Также возможно внедрить данный материал в систему подогрева полов, чтобы обеспечить оптимальные температурные условия на протяжении холодных периодов года.
Для кондиционирования помещения и поддержания температуры в условиях жаркого климата, а также в термостабилизирующих устройствах требуются материалы, эффективно аккумулирующие тепловую энергию при температурах от 30 до 36°С без переохлаждения, с конгруэнтным плавлением, стабильные и нетоксичные. В качестве таких материалов подходят фазопереходные теплоаккумулирующие материалы на основе кристаллогидратов, а именно гексагидрат нитрата цинка, плавящийся конгруэнтно.
В патенте SU943265 А1 (дата приоритета: 20.10.1980) был предложен теплоаккумулирующий состав, в котором предлагается использовать кристаллогидраты нитратов кадмия и цинка в соотношении (35-45):(65-55). Данный состав имеет температуру фазового перехода 27.4°С и теплоту плавления 123-129 Дж/г. Температура фазового перехода не соответствует требуемому диапазону температур. Авторами не показаны уровни переохлаждения данного материала и нет информации о наличии/отсутствии у него фазовой сегрегации, времени аккумуляции и энтальпии кристаллизации.
Состав более сложного строения на основе кристаллогидратов нитратов цинка, никеля, магния и лития предложен в патенте на изобретение RU2567921 С1 «Теплоаккумулирующий материал» (дата приоритета: 29.04.2014). Авторы использовали для приготовления смеси кристаллогидратов нитратов цинка, никеля, магния и лития в соотношениях 4.5-6.5:10.5-14.5:16.5-18.5:68.5-60.5 массовых процентов соответственно. Энтальпия плавления составила 220 Дж/г при температуре плавления 25.5°С. Переохлаждение не превышает 4°С. К недостаткам данного патента можно отнести отсутствие информации о наличии/отсутствии у него фазовой сегрегации, времени аккумуляции и энтальпии кристаллизации, а также то, что в составе смеси присутствуют дорогостоящие материалы, значительно повышающие стоимость изобретения.
В патенте JP-A-53-096979 (дата приоритета: 24.08.1978) предлагается состав с использованием гексагидрата нитрата цинка, который в чистом виде имеется энтальпию плавления 129 Дж/г.Авторы приготавливают состав, добавляя к гексагидрату нитрата цинка безводный гипс, прокаленный гипс и ряд других компонентов. При этом энтальпия теплоаккумулирующего материала после приготовления смеси не указывается. Переохлаждение состава составляет 3°С. Авторами не показаны наличие/отсутствие у него фазовой сегрегации, времени аккумуляции и энтальпии кристаллизации. Поэтому работоспособность этого состава сложно оценить.
В патенте ЕР 3450010 В1 (дата приоритета: 05.08.2020) использовался тетрагидрат нитрата цинка Zn(NO3)2⋅4Н2О, который использовался для получения ионов цинка при перемешивании в этаноле, a ZnO являлся конечным продуктом высокотемпературной обработки состава, основой которого являлся безводный нитрат калия. Данный состав плавится в температурном диапазоне от 300 до 500°С, поэтому он не подходит для рассматриваемого диапазона 30-36°С.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности существенных признаков является состав, описанный в патенте SU 983134 А1 «Теплоаккумулирующий состав на основе кристаллогидрата нитрата цинка» (дата приоритета: 21.05.1981), включающий 0.5-5% гексагидрата нитрата кобальта и 99.5-95% гексагидрата нитрата цинка. Авторы использовали гексагидрат нитрата кобальта как добавку для снижения переохлаждения, при этом удалось снизить переохлаждение до 5-7°С при температуре плавления 36.4°С. Недостатком предложенного способа является то, что состав не является эвтектическим, т.е. гексагидрат нитрата кобальта не плавится конгруэнтно. Данные по энтальпии плавления отсутствуют, а высокая стоимость нитрата кобальта (в 5-6 раз выше других кристаллогидратов) существенно увеличивает стоимость теплоаккумулирующего материала, из-за чего его эксплуатация потребителем затрудняется. При этом отсутствует информация о наличии/отсутствии у него фазовой сегрегации, времени аккумуляции и энтальпии кристаллизации.
Задачей предлагаемого изобретения является минимизация фазовой сегрегации и переохлаждения, не превышающего 3°С, теплоаккумулирующего материала на основе кристаллогидрата нитрата цинка, а также измерение его энтальпий плавления и кристаллизации, времени аккумуляции, температуры плавления и кристаллизации.
При осуществлении данного изобретения, создается технический результат, который заключается в отсутствии у фазопереходного теплоаккумулирующего материала фазовой сегрегации, повышении термостабильности, при температуре фазового перехода от 30 до 36°С, понижении переохлаждения, достижения энтальпии фазового перехода, достигающей 150 Дж/г, экологической безопасности.
Технический результат достигается за счет того, что теплоаккумулирующий состав на основе гексагидрата нитрата цинка включает дополнительные вещества - оксид цинка и активированный уголь в качестве зародышеобразователей и загуститель. Основным преимуществом гексагидрата нитрата цинка при его использовании в чистом виде, является его конгруэнтное плавление, что встречается редко у кристаллогидратов неорганических солей, при котором кристаллогидрат при контроле температурного режима не отщепляет воду, поэтому его использование сопряжено лишь с переохлаждением. Для снижения данного эффекта предлагается использовать дополнительные вещества, а именно загустители для повышения вязкости для предотвращения фазовой сегрегации и зародышеобразователи. В качестве загустителя предложено использовать карбоксиметилцеллюлозу (КМЦ), которая предотвращает фазовую сегрегацию материалов в процессе медленного плавления. Зародышеобразователи подбираются таким образом, чтобы обеспечить расплав эпицентрами кристаллизации. Для этого обычно подбираются такие вещества, которые имеют схожую кристаллическую решетку и не плавятся в рабочем диапазоне температур теплоаккумулирующего материала. Часто для этих целей применяют оксиды соответствующих металлов и модификации углерода: сажу, активированный уголь и термообработанный графит. Использование всех компонентов в необходимых количественных соотношениях позволяет применять фазопереходные теплоаккумулирующие материалы в циклическом режиме в температурном диапазоне от 30 до 36°С, в зависимости от состава, что соответствует ранее заявленному диапазону для кондиционирования помещений и применения в каскадном тепловом аккумуляторе в качестве низкотемпературного слоя.
В качестве предлагаемого фазопереходного теплоаккумулирующего материала предлагается использовать смесь, состоящую из:
Гексагидрата нитрата цинка Zn(NO3)2⋅6H2O;
Оксида цинка ZnO с масс. долей 1.5% от массы кристаллогидрата;
Активированного угля Сакт с масс. долей 10% от массы кристаллогидрата;
Карбоксиметилцеллюлозы с масс. долей по отношению к эвтектическому составу 1% (1%КМЦ).
Состав смеси:
Zn(NO3)2⋅6H2O+1.5%ZnO+10%Сакт+1%КМЦ
Гексагидрат нитрата цинка и оксид цинка массами 20.1 и 0.3 г соответственно, взвешивали и плавили в течение 30 минут при перемешивании до расплавления, после чего продолжали перемешивание еще в течение 10 минут, а потом последовательно добавляли 10%Сакт и 1%КМЦ по массе, после чего продолжали перемешивание в течение трех часов, контролируя температуру в 60°С. Приготовленная смесь хранилась в эксикаторе для предотвращения поглощения излишек влаги.
Для подтверждения свойств синтезированных материалов методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) исследованы температура и теплота плавления, а также величина температурного гистерезиса. Условия эксперимента методом ДСК:
• Максимальная температура нагрева,°С, 60;
• Минимальная температура охлаждения,°С, 0;
• Скорость нагрева, °С/мин: 10;
• Атмосфера, N2;
• Скорость охлаждения, °С/мин: 2;
• Газ для охлаждения, N2;
• Скорость подачи газа мл/мин, 40.
Исследуемые методом температурной истории навески веществ массой 15-25 грамм более точно показывают температуру кристаллизации и величину переохлаждения материала в условиях практической эксплуатации (Safari A., Saidur R, Sulaiman F.A., Xu Y., Dong J. A review on supercooling of Phase Change Materials in thermal energy storage systems // Renewable & Sustainable Energy Reviews. - 2017. - T. 70. - C. 905-919.
Измерения проводят при естественном охлаждении навески массой 15-25 грамм, для получения практических данных по теплофизическим параметрам: энтальпии кристаллизации, температуре кристаллизации, времени аккумуляции, переохлаждения в комнатных условиях эксплуатации материала с учетом его температуры плавления, гигроскопичности, конгруэнтного типа плавления.
Анализ методом температурной истории проводился в кварцевой пробирке объемом 30 мл, которая была заполнена на 2/3. В качестве стандарта использовалась вода. Нагрев проходил до 96°С. А охлаждение до 20°С. Ориентировочная масса воды mw и исследуемого материала составила 20 г. Площадь пика (энтальпия кристаллизации) оценивалась в каждом исследовании индивидуально в зависимости от температуры максимального нагрева веществ, до температуры фактического начала кристаллизации. Такой подход обусловлен более точными оценками энтальпии кристаллизации.
Изобретение поясняется чертежами, где:
на фиг. 1. представлена кривая ДСК для смеси состава Zn(NO3)2⋅6Н2О+1.5%ZnO+10%Сакт+1%КМЦ;
на фиг. 2 - кривая температурной истории для смеси состава Zn(NO3)2⋅6H2O+1.5%ZnO+10%Сакт+1%КМЦ;
на фиг. 3 - кривая ДСК для Zn(NO3)2⋅6H2O без добавок;
на фиг. 4 - кривая температурной истории для Zn(NO3)2⋅6H2O без добавок.
Физико-химические характеристики предлагаемого теплоаккумулирующего состава в сравнении с характеристиками гексагидрата нитрата цинка без добавок представлены в таблице 1 на основании данных фиг. 1-4.
Как следует из кривой ДСК на фиг. 1, при добавлении загустителя и зародышеобразователей энтальпия плавления чистого гескагидрата нитрата цинка незначительно уменьшилась со 157.2 Дж/г до 153.4 Дж/г, но с учетом снижения переохлаждения с 9.3°С до 2.7°С (по данным измерений методом температурной истории, на фиг. 2) данное снижение оправданно.
Таким образом, свойства теплоаккумулирующего состава исследованы в условиях практической эксплуатации и по сравнению с чистым кристаллогидратом нитрата цинка имеют низкое переохлаждение, составляющее 2.7°С и энтальпию кристаллизации 165.39 Дж/г при температуре кристаллизации 31.82°С, температуре плавления 35.36°С. Отличие изобретения от аналогов на основе нитрата цинка и других материалов состоит в исследовании в практических условиях методом температурной истории, имитирующим естественное охлаждение, что позволило получить практические результаты. Время аккумуляции 15-25 грамм навески материала составило 26.5 мин без теплоизоляции, как показано на фиг. 2.
Теплоаккумулирующий материал предложенного состава может также использоваться в охлаждающих установках для кондиционирования помещений, в каскадной системе нагрева в качестве нижнего низкотемпературного слоя и в системе подогрева полов.
Claims (1)
- Теплоаккумулирующий состав на основе смеси гексагидрата нитрата цинка и его оксида, включающий гексагидрат нитрата цинка, оксид цинка, активированный уголь и карбоксиметилцеллюлозу, характеризующийся температурой фазового перехода, обеспечивающего работоспособность состава в качестве температуроподдерживающего материала, между 30 и 36°С, приготовленный путем плавления гексагидрата нитрата цинка в смеси с оксидом цинка в течение 30 мин с постоянным перемешиванием, выдерживания в течение 10 мин, последовательного добавления активированного угля и карбоксиметилцеллюлозы и дальнейшего перемешивания в течение трех часов с контролем температуры 60°С.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020137368A RU2763355C1 (ru) | 2020-11-14 | 2020-11-14 | Теплоаккумулирующий состав на основе смеси гексагидрата нитрата цинка и его оксида |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020137368A RU2763355C1 (ru) | 2020-11-14 | 2020-11-14 | Теплоаккумулирующий состав на основе смеси гексагидрата нитрата цинка и его оксида |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2763355C1 true RU2763355C1 (ru) | 2021-12-28 |
Family
ID=80039817
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020137368A RU2763355C1 (ru) | 2020-11-14 | 2020-11-14 | Теплоаккумулирующий состав на основе смеси гексагидрата нитрата цинка и его оксида |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2763355C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2791470C1 (ru) * | 2021-12-29 | 2023-03-09 | Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московской области "Университет "Дубна" (Государственный университет "Дубна") | Теплоаккумулирующий состав на основе смеси кристаллогидратов нитратов никеля и хрома |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5396979A (en) * | 1977-02-04 | 1978-08-24 | Nippon Pillar Packing | Heat accumulating material |
| SU983134A1 (ru) * | 1981-05-21 | 1982-12-23 | Краснодарский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт | Теплоаккумулирующий состав на основе кристаллогидрата нитрата цинка |
| RU2567921C1 (ru) * | 2014-04-29 | 2015-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВПО "КубГТУ") | Теплоаккумулирующий материал |
| EP3450010B1 (en) * | 2017-08-30 | 2020-08-05 | National Research-Development Institute for Non-ferrous and Rare Metals (IMNR) | Potassium nitrate microencapsulation process in a nanostructured inorganic zinc oxide shell with application in thermal energy storage |
-
2020
- 2020-11-14 RU RU2020137368A patent/RU2763355C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5396979A (en) * | 1977-02-04 | 1978-08-24 | Nippon Pillar Packing | Heat accumulating material |
| SU983134A1 (ru) * | 1981-05-21 | 1982-12-23 | Краснодарский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт | Теплоаккумулирующий состав на основе кристаллогидрата нитрата цинка |
| RU2567921C1 (ru) * | 2014-04-29 | 2015-11-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Кубанский государственный технологический университет" (ФГБОУ ВПО "КубГТУ") | Теплоаккумулирующий материал |
| EP3450010B1 (en) * | 2017-08-30 | 2020-08-05 | National Research-Development Institute for Non-ferrous and Rare Metals (IMNR) | Potassium nitrate microencapsulation process in a nanostructured inorganic zinc oxide shell with application in thermal energy storage |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| МОРЖУХИН А.М. и др. Исследование возможности применения метода температурной истории для определения термохимических характеристик теплоаккумулирующих материалов. Физическая и аналитическая химия природных и техногенных систем, новые технологии и материалы - Ходаковские чтения, Сборник трудов Всероссийской конференции с международным участием, Дубна, 18-19 апреля 2019, с.118-123. * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2791470C1 (ru) * | 2021-12-29 | 2023-03-09 | Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московской области "Университет "Дубна" (Государственный университет "Дубна") | Теплоаккумулирующий состав на основе смеси кристаллогидратов нитратов никеля и хрома |
| RU2803310C2 (ru) * | 2021-12-29 | 2023-09-12 | Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московской области "Университет "Дубна" (Государственный университет "Дубна") | Теплоаккумулирующий состав на основе гексагидрата нитрата цинка и гексагидрата нитрата кобальта |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107556972A (zh) | 常低温相变储能介质及其制备方法 | |
| CN113214796B (zh) | 一种复合无机盐相变蓄冷剂及其制备方法 | |
| CA1103910A (en) | Dual temperature thermal energy storage composition for heat pump | |
| CN102746829B (zh) | 一种超低温储能材料组合物 | |
| RU2763355C1 (ru) | Теплоаккумулирующий состав на основе смеси гексагидрата нитрата цинка и его оксида | |
| CN106221675A (zh) | 一种相变储能介质 | |
| NO175378B (no) | Materiale som omfatter CaBr2 for reversibel forandring fra flytende til fast fase | |
| US4689164A (en) | Eutectoid salt composition for coolness storage | |
| US4329242A (en) | Hydrated Mg(NO3)2 /MgCl2 reversible phase change compositions | |
| US4272391A (en) | Hydrated Mg(NO3)2 reversible phase change compositions | |
| US4283298A (en) | Hydrated Mg(NO3)2 /NH4 NO3 reversible phase change compositions | |
| WO2014024883A1 (ja) | 蓄熱材組成物、それを用いた補助熱源および熱供給方法 | |
| RU2803310C2 (ru) | Теплоаккумулирующий состав на основе гексагидрата нитрата цинка и гексагидрата нитрата кобальта | |
| RU2763288C1 (ru) | Теплоаккумулирующий состав на основе эвтектической смеси кристаллогидратов нитратов кальция и кадмия | |
| CA1243195A (en) | Reversible phase change composition for storing energy | |
| JP2006131856A (ja) | 潜熱蓄冷熱材組成物 | |
| JP5044539B2 (ja) | 蓄熱材組成物 | |
| RU2791470C1 (ru) | Теплоаккумулирующий состав на основе смеси кристаллогидратов нитратов никеля и хрома | |
| CA1160443A (en) | Hydrated mgc1.sub.2 reversible phase change compositions hydrated mg(no.sub.3).sub.2 reversible phase change compositions | |
| KR20050005467A (ko) | 열-저장 매체 ⅱ | |
| US4338208A (en) | Hydrated MgCl2 reversible phase change compositions | |
| US4271029A (en) | Hydrated Mg(NO3)2 reversible phase change compositions | |
| Ayyagari et al. | Experimental study of cyclically stable Glauber's salt-based PCM for cold thermal energy storage | |
| CN105238363A (zh) | 一种相变储能介质 | |
| Jha et al. | Study and analysis of thermal energy storage system using phase change materials (PCM) |