RU2784050C1 - Теплоаккумулирующий состав на основе эвтектической смеси пентагидрата тиосульфата натрия и тригидрата ацетата натрия - Google Patents
Теплоаккумулирующий состав на основе эвтектической смеси пентагидрата тиосульфата натрия и тригидрата ацетата натрия Download PDFInfo
- Publication number
- RU2784050C1 RU2784050C1 RU2021139777A RU2021139777A RU2784050C1 RU 2784050 C1 RU2784050 C1 RU 2784050C1 RU 2021139777 A RU2021139777 A RU 2021139777A RU 2021139777 A RU2021139777 A RU 2021139777A RU 2784050 C1 RU2784050 C1 RU 2784050C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- heat
- sodium acetate
- sodium
- acetate trihydrate
- phase transition
- Prior art date
Links
- 239000000203 mixture Substances 0.000 title claims abstract description 39
- AYRVGWHSXIMRAB-UHFFFAOYSA-M sodium acetate trihydrate Chemical compound O.O.O.[Na+].CC([O-])=O AYRVGWHSXIMRAB-UHFFFAOYSA-M 0.000 title claims abstract description 15
- 229940087562 Sodium Acetate Trihydrate Drugs 0.000 title claims abstract description 14
- 235000017281 sodium acetate Nutrition 0.000 title claims abstract description 14
- 239000000374 eutectic mixture Substances 0.000 title claims abstract description 9
- PODWXQQNRWNDGD-UHFFFAOYSA-L sodium thiosulfate pentahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.[Na+].[Na+].[O-]S([S-])(=O)=O PODWXQQNRWNDGD-UHFFFAOYSA-L 0.000 title claims abstract description 9
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 claims abstract description 11
- 238000004781 supercooling Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims abstract description 8
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000005712 crystallization Effects 0.000 claims abstract description 7
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims abstract description 7
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000005338 heat storage Methods 0.000 claims description 14
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 8
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 6
- 238000005204 segregation Methods 0.000 abstract description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 2
- AKHNMLFCWUSKQB-UHFFFAOYSA-L Sodium thiosulphate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-]S([O-])(=O)=S AKHNMLFCWUSKQB-UHFFFAOYSA-L 0.000 abstract 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 abstract 1
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 12
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 10
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 description 10
- 238000000113 differential scanning calorimetry Methods 0.000 description 6
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 5
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 4
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 238000001938 differential scanning calorimetry curve Methods 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 108010010803 Gelatin Proteins 0.000 description 1
- 206010021113 Hypothermia Diseases 0.000 description 1
- 230000000996 additive Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 230000005496 eutectics Effects 0.000 description 1
- 229920000159 gelatin Polymers 0.000 description 1
- 239000008273 gelatin Substances 0.000 description 1
- 235000019322 gelatine Nutrition 0.000 description 1
- 235000011852 gelatine desserts Nutrition 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000002631 hypothermal Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- IAQLJCYTGRMXMA-UHFFFAOYSA-M lithium;acetate;dihydrate Chemical compound [Li+].O.O.CC([O-])=O IAQLJCYTGRMXMA-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229940097364 magnesium acetate tetrahydrate Drugs 0.000 description 1
- XKPKPGCRSHFTKM-UHFFFAOYSA-L magnesium;diacetate;tetrahydrate Chemical compound O.O.O.O.[Mg+2].CC([O-])=O.CC([O-])=O XKPKPGCRSHFTKM-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000003607 modifier Substances 0.000 description 1
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 239000011232 storage material Substances 0.000 description 1
- VZWGHDYJGOMEKT-UHFFFAOYSA-J tetrasodium;phosphonato phosphate;decahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.O.O.O.O.O.[Na+].[Na+].[Na+].[Na+].[O-]P([O-])(=O)OP([O-])([O-])=O VZWGHDYJGOMEKT-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к теплоаккумулирующим материалам, способным к хранению и отдаче тепла за счет фазопереходных процессов, которые могут применяться в системах подогрева в температурном диапазоне 30-45°С. Предложен теплоаккумулирующий состав на основе эвтектической смеси пентагидрата тиосульфата натрия и тригидрата ацетата натрия, состоящий из 30% мас. тригидрата ацетата натрия CH3COONa⋅3H2O, 70% мас. пентагидрата тиосульфата натрия Na2S2O3⋅5H2O с добавками в виде 1% мас. расширенного графита (EG), 2% мас. поливинилового спирта (ПВС), характеризующийся температурами фазового перехода при плавлении и кристаллизации, переохлаждением не выше 3°С, временем аккумуляции, обеспечивающими работоспособность материала в качестве теплоаккумулирующего состава между 30 и 45°С, и приготовленный путем плавления эвтектической смеси пентагидрата тиосульфата натрия и тригидрата ацетата натрия в течение 20 мин с постоянным перемешиванием до полного расплавления и последующим добавлением расширенного графита, перемешиванием в течение 20 минут и добавлением поливинилового спирта, после чего перемешивание продолжают в течение одного часа с контролем температуры 60°С. Технический результат – предложенный фазопереходный теплоаккумулирующий состав характеризуется отсутствием фазовой сегрегации, снижением переохлаждения до 2.8°С, достижением температуры фазового перехода 41.8°С. 7 ил., 3 табл.
Description
Изобретение относится к теплоаккумулирующим материалам, способным к хранению и отдаче тепла за счет фазопереходных процессов и могут применяться в системах подогрева в температурном диапазоне 30-45°С.
Преимуществом использования тригидрата ацетата натрия является высокая энтальпия фазового перехода. Тем не менее, тригидрат ацетата натрия имеет аномально высокую величину переохлаждения, достигающую 80°, инконгруэнтный тип плавления, а вероятность стеклования не позволяет использовать вещество в нужном температурном диапазоне.
Имеется эффективный теплоаккумулирующий состав, предложенный авторами в патенте RU 2188842 C1 (дата приоритета: 10.09.2002), состоящий из фазопереходной смеси и добавки, контролирующей кристаллизацию при высоком переохлаждении для целей сохранения тепла при низких температурах. Причем авторы предлагают составы двух типов с различным фазопереходным материалом, состоящим из смеси тригидрата ацетата натрия и дигидрата ацетата лития в соотношениях 90-99:1-10 соответственно, либо из смеси тригидрата ацетата натрия и тетрагидрата ацетата магния в соотношении 85-95:5-15 соответственно. Общее содержание фазопереходной смеси и кристаллизационного модификатора составляет 90-99:1-10 соответственно. Материал создан для работы при низких температурах и имеет переохлаждение вплоть до 90°, а плавится при 48-50 °С в зависимости от соотношения компонентов. В работе не исследуется время аккумулирования, теплоемкость, плотность аккумулирования тепла и плотность твердой и жидкой фаз. Высокое переохлаждение не позволяет использовать данный материал в заявленном температурном диапазоне 30-45°С.
Известен еще один состав на основе тригидрата ацетата натрия (RU 2430262 С1. Дата приоритета: 27.09.2011), к которому на 100 грамм добавляется 2-3 г пищевого желатина, 2-3 г хлорида натрия и 1-2 г гидроксида натрия. Авторы указывают, что температура плавления состава составила 76°С, при этом поглощение тепла начинается уже при 50 °С. Переохлаждение материала составляет более 80°. В работе не исследуются время аккумулирования, энтальпии плавления и кристаллизации, теплоемкость, плотность аккумулирования тепла и плотность твердой и жидкой фаз. Высокое переохлаждение не позволяет использовать данный материал в заявленном температурном диапазоне 30-45 °С.
Наиболее близким к предлагаемому изобретения является состав тригидрата ацетата натрия и декагидрата пирофосфата натрия (Международный патент EP0049092B1, дата приоритета 9.05.1984; US4406804A, дата приоритета 27.09.1983) в соотношениях не выше 60:40 соответственно. Авторами при 1000 циклах было достигнуто переохлаждение не выше 4° без указания температуры плавления. Также многих теплофизических и термодинамических характеристик (плотность твердой и жидкой фаз, плотность аккумулирования тепла, время аккумуляции, теплоемкость твердой и жидкой фаз, вязкости) измерено не было. Поэтому невозможно сделать вывод о применении данного состава для использования в заявленном температурном диапазоне 30-45°С.
Таким образом, к недостаткам всех вышеописанных патентов можно отнести отсутствие экспериментальных данных о плотности твердой и жидкой фаз, вязкости, теплоемкости твердой и жидкой фаз и плотности аккумулирования энергии, и затруднение их расчетов в связи с отсутствием информации о способе исследования материалов. Кроме того, лишь в некоторых работах переохлаждение рассматривается как влияющий на эффективность работы теплоаккумулирующего состава фактор. Однако ни в одной из работ не приведена аккумулирующая способность полученных смесей.
Задачей предлагаемого изобретения является минимизация фазовой сегрегации и переохлаждения, не превышающего 3°С, теплоаккумулирующего состава на основе эвтектической смеси пентагидрата тиосульфата натрия и тригидрата ацетата натрия, а также измерение его энтальпии плавления, времени аккумуляции, температуры плавления и кристаллизации, плотности и теплоемкости твердой и жидкой фаз, динамической и кинематической вязкости, плотности аккумулирования тепла.
При осуществлении данного изобретения, создается технический результат, который заключается в отсутствии у фазопереходного теплоаккумулирующего состава фазовой сегрегации, снижении переохлаждения до 2.8°, достижения температуры фазового перехода 41.8°С.
Технический результат достигается за счет того, что теплоаккумулирующий состав является эвтектическим и включает дополнительные вещества - расширенный графит (EG) для повышения теплоемкости и уменьшения переохлаждения, и поливиниловый спирт (ПВС), устраняющий фазовую сегрегацию. Это позволяет создать эвтектическую смесь с конгруэнтным плавлением и температурой плавления в температурном диапазоне 30-45°С.
Изобретение поясняется чертежами, где:
Фиг. 1 - КР-спектр состава;
Фиг. 2 - объединенный КР-спектр компонентов состава;
Фиг. 3 - кривая ДСК для состава;
Фиг. 4 - теплоемкость состава;
Фиг. 5 - кривая ТИ для состава;
Фиг. 6 - вязкость состава при 55 °С;
Фиг. 7 - вязкость состава при 70 °С.
Состав:
(70% Na2S2O3⋅5H2O + 30% CH3COONa·3H2O) + 1% EG + 2% ПВС
Эвтектическую смесь Na2S2O3⋅5H2O и CH3COONa·3H2O общей массой 5.25 г взвешивали и плавили в течение 20 минут при постоянном перемешивании до полного расплавления, после чего добавляли расширенный графит (EG), перемешивали 20 минут, а затем засыпали поливиниловый спирт (ПВС) и продолжали перемешивание еще в течение одного часа, контролируя температуру в 60°С. Приготовленная смесь хранилась в эксикаторе для предотвращения поглощения излишек влаги.
На фиг. 1 представлен спектр комбинационного рассеяния состава, а на фиг. 2 представлены спектры чистых веществ, являющихся компонентами теплоаккумулирующего состава. Фиг. 1 показывает, что химического взаимодействия между компонентами состава при нагревании не произошло, что подтверждается отсутствием пиков, не характерных для чистых веществ на фиг. 2.
Для подтверждения свойств синтезированных материалов методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) исследованы температура и энтальпия плавления. На фиг. 3 изображена кривая ДСК, на которой представлена энтальпия плавления, равная 213.5 Дж/г, а температура фазового перехода составляет 41.8 °С.
Условия эксперимента методом ДСК:
• Минимальная температура нагрева, °C, 20;
• Максимальная температура нагрева, °C, 75;
• Скорость нагрева, °C/мин: 10;
• Атмосфера, N2;
• Скорость охлаждения, °C/мин: 2;
• Газ для охлаждения, N2;
• Скорость подачи газа мл/мин, 40.
Теплоемкость твердой фазы при 30 °С составила 2.46 Дж/(г⋅К), а теплоемкость жидкой фазы, измеренной при 80 °С - 9.53 Дж/(г⋅К). На фиг. 4 представлен график, на котором можно наблюдать изменение теплоемкости при нагревании от 8 до 92 °С.
Анализ методом температурной истории проводился в кварцевой пробирке объемом 30 мл, которая была заполнена на 2/3 при естественных условиях охлаждения. На фиг. 5 представлен график температурной истории для теплоаккумулирующего состава. У синтезированного состава присутствует небольшое переохлаждение в 2.8°С. Время отдачи тепла составило 33.9 минуты. Значение температуры кристаллизации составило 32°С. Все результаты представлены в таблице 1.
Таблица 1. Физико-химические характеристики состава по результатам ДСК и ТИ | |||||||
Состав | Измерение методом ДСК | Измерение методом температурной истории | |||||
Tпл эксп. ДСК, °С | ΔHпл, эксп. ДСК Дж/г |
Cp ж.ф. (68°С) Дж/(г∙К) |
Cp тв.ф. (30°С) Дж/г∙К |
ΔT. эксп., °С |
Tкр. эксп, °С |
tаккум, мин | |
(70% Na2S2O3·5H2O + 30% CH3COONa⋅3H2O) + 1% EG + 2% ПВС | 41.8 | 213.5 | 9.53 | 2.46 | 2.8 | 32 | 33.9 |
На фиг. 6 и фиг. 7 представлены зависимости вязкости состава от вращения металлического стержня при 55 и 70 °С. По выходу графика на плато видно, что динамическая вязкость составляет 755 и 281 мПа⋅с при 55 и 70°С, соответственно. Плотность твердой и жидкой фаз составляет 1.05 и 1.47 г/см3, соответственно. По результатам измерения динамической вязкости и плотности жидкой фазы, была рассчитана кинематическая вязкость. Ее значения при 55 и 70°С составляют 0.51 и 0.19 м2/с, соответственно. Все результаты сведены в таблицу 2.
Таблица 2. Физико-химические характеристики состава по результатам измерения вязкости | |||
Состав | T,°С | μ, мПа∙с Δ = ±10% |
ν, м2/с |
(70% Na2S2O3⋅5H2O + 30% CH3COONa⋅3H2O) + 1% EG + 2% ПВС | 55 | 755 | 0.51 |
70 | 281 | 0.19 |
Плотность жидкой фазы составила 1.47 г/см3 при 70°С, а плотность твердой фазы - 1.05 г/см3. Плотность аккумулирования тепла составила 313.8 МДж/м3.
Таблица 3. Расчетные параметры состава по экспериментальным данным | |||
Состав | S МДж/м3 |
ρж.ф., г/см3 |
ρтв.ф., г/см3 |
(70% Na2S2O3⋅5H2O + 30% CH3COONa⋅3H2O) + 1% EG + 2% ПВС | 313.8 | 1.47 | 1.05 |
Таким образом, благодаря добавлению к эвтектической смеси пентагидрата тиосульфата натрия и тригидрата ацетата натрия добавок ПВС и EG, удалось добиться переохлаждения в 2.8° и времени аккумуляции, достигающего 33.9 минут в естественных условиях охлаждения, что позволяет использовать материал в температурном диапазоне 30-45°С. Теплоемкость жидкой фазы в 9.53 Дж/(г⋅К), плотность аккумулирования тепла, равная 313.8 МДж/м3 и энтальпия плавления, составляющая 213.5 Дж/г подтверждают хорошую аккумулирующую способность состава, поэтому материал пригоден для использования в качестве теплоаккумулирующего состава.
Claims (1)
- Теплоаккумулирующий состав на основе эвтектической смеси пентагидрата тиосульфата натрия и тригидрата ацетата натрия, состоящий из 30% мас. тригидрата ацетата натрия CH3COONa·3H2O, 70% мас. пентагидрата тиосульфата натрия Na2S2O3·5H2O с добавками в виде 1% мас. расширенного графита (EG), 2% мас. поливинилового спирта (ПВС), характеризующийся температурами фазового перехода при плавлении и кристаллизации, переохлаждением не выше 3°С, временем аккумуляции, обеспечивающими работоспособность материала в качестве теплоаккумулирующего состава между 30 и 45°С, и приготовленный путем плавления эвтектической смеси пентагидрата тиосульфата натрия и тригидрата ацетата натрия в течение 20 мин с постоянным перемешиванием до полного расплавления и последующим добавлением расширенного графита, перемешиванием в течение 20 минут и добавлением поливинилового спирта, после чего перемешивание продолжают в течение одного часа с контролем температуры 60°С.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2784050C1 true RU2784050C1 (ru) | 2022-11-23 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4406804A (en) * | 1980-09-27 | 1983-09-27 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Heat accumulating material |
RU2066337C1 (ru) * | 1991-05-14 | 1996-09-10 | Кубанский государственный технологический университет | Теплоаккумулирующий материал |
RU2070911C1 (ru) * | 1992-12-08 | 1996-12-27 | Институт химических проблем экологии Академии естественных наук Российской Федерации | Теплоаккумулирующий материал |
RU2098446C1 (ru) * | 1991-06-14 | 1997-12-10 | Краснодарский политехнический институт | Теплоаккумулирующий материал |
CN106753259A (zh) * | 2016-11-25 | 2017-05-31 | 贺迈新能源科技(上海)有限公司 | 一种低相变温度的储热材料及制备方法 |
CN113736431A (zh) * | 2021-09-29 | 2021-12-03 | 华南理工大学 | 一种改性膨胀石墨-水合无机盐复合相变材料及其制备方法和应用 |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4406804A (en) * | 1980-09-27 | 1983-09-27 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Heat accumulating material |
RU2066337C1 (ru) * | 1991-05-14 | 1996-09-10 | Кубанский государственный технологический университет | Теплоаккумулирующий материал |
RU2098446C1 (ru) * | 1991-06-14 | 1997-12-10 | Краснодарский политехнический институт | Теплоаккумулирующий материал |
RU2070911C1 (ru) * | 1992-12-08 | 1996-12-27 | Институт химических проблем экологии Академии естественных наук Российской Федерации | Теплоаккумулирующий материал |
CN106753259A (zh) * | 2016-11-25 | 2017-05-31 | 贺迈新能源科技(上海)有限公司 | 一种低相变温度的储热材料及制备方法 |
CN113736431A (zh) * | 2021-09-29 | 2021-12-03 | 华南理工大学 | 一种改性膨胀石墨-水合无机盐复合相变材料及其制备方法和应用 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4637888A (en) | Reversible phase change composition for storing energy | |
Ghadim et al. | Binary mixtures of fatty alcohols and fatty acid esters as novel solid‐liquid phase change materials | |
JP2000119643A (ja) | 蓄熱材組成物及び蓄熱容器 | |
RU2784050C1 (ru) | Теплоаккумулирующий состав на основе эвтектической смеси пентагидрата тиосульфата натрия и тригидрата ацетата натрия | |
CN113396199B (zh) | 具有固体到固体转变的相变材料(pcm) | |
Fan et al. | Thermal storage performance of eutectic sugar alcohols applied to buildings and enhancement of crystallization | |
JP6389891B2 (ja) | 臭化ストロンチウム相変化物質 | |
JP2000319648A (ja) | 蓄熱材 | |
KR910007090B1 (ko) | 에너지 저장을 위한 가역성 상이전조성물 | |
JP2023123408A (ja) | 超低温用潜熱蓄熱材及び超低温における温度制御輸送用容器 | |
EP3861086A1 (en) | Inert mixture and use thereof as a phase change material | |
JP2006131856A (ja) | 潜熱蓄冷熱材組成物 | |
RU2791470C1 (ru) | Теплоаккумулирующий состав на основе смеси кристаллогидратов нитратов никеля и хрома | |
CN105694821A (zh) | 一种相变储能介质 | |
RU2803310C2 (ru) | Теплоаккумулирующий состав на основе гексагидрата нитрата цинка и гексагидрата нитрата кобальта | |
JP7137654B1 (ja) | 潜熱蓄熱材組成物 | |
RU2790484C1 (ru) | Способ получения теплоаккумулирующего материала на основе тригидрата двойной соли нитратов кальция-калия (варианты) | |
KR860000011B1 (ko) | 가역성 상변화 조성물 | |
JP2005524755A (ja) | 熱貯蔵媒体ii | |
RU2763288C1 (ru) | Теплоаккумулирующий состав на основе эвтектической смеси кристаллогидратов нитратов кальция и кадмия | |
US4849121A (en) | Latent heat store | |
JP2021143304A (ja) | 蓄熱材組成物 | |
RU2188842C1 (ru) | Теплоаккумулирующий состав | |
JP3880677B2 (ja) | 潜熱蓄熱材組成物 | |
RU2810251C1 (ru) | Теплоаккумулирующий состав |