Материалы с высокой скрытой теплотой плавления и затвердевания

Введение

Вещество с высокой скрытой теплотой плавления или затвердевания

Материал с переходом фазы (PCM) – это вещество, которое выделяет/поглощает достаточное количество энергии при изменении фазы для обеспечения полезного тепла или охлаждения. Как правило, переход происходит из одного из двух основных состояний вещества – твердого и жидкого – в другое. Изменение фазы может происходить также между нестандартными состояниями вещества, например, при изменении структуры кристаллов, когда материал переходит от соответствия одной кристаллической структуре к другой, которая может быть более или менее энергетически выгодной. Энергия, высвобождаемая/поглощаемая при переходе из твердого состояния в жидкое или наоборот, – теплота плавления – обычно значительно выше, чем удельная теплоемкость. Например, для плавления льда требуется 333,55 Дж/г, в то время как для повышения температуры воды на один градус необходимо всего 4,18 Дж/г. Вода/лед, таким образом, является очень полезным материалом с переходом фазы и используется для хранения зимнего холода с целью охлаждения зданий летом, по крайней мере, со времен империи Ахеменидов. Благодаря плавлению и затвердеванию при температуре изменения фазы (PCT), PCM способен накапливать и отдавать большие объемы энергии по сравнению с аккумулированием тепла за счет изменения температуры. Тепло поглощается или выделяется при переходе материала из твердого в жидкое состояние и обратно, либо при изменении его внутренней структуры; соответственно, PCM называют материалами с накоплением скрытой теплоты (LHS). Существуют два основных класса материалов с переходом фазы: органические (углеродсодержащие) материалы, получаемые из нефти, растений или животных; и гидраты солей, которые обычно используют природные соли из моря или минеральных месторождений, либо являются побочными продуктами других процессов. Третий класс – это изменение фазы в твердом состоянии. PCM используются во многих различных коммерческих приложениях, где требуется накопление энергии и/или поддержание стабильной температуры, включая, в частности, грелки, охлаждение для телекоммуникационных шкафов и одежду. Наибольший потенциальный рынок – это отопление и охлаждение зданий. В этой области применения PCM обладают потенциалом в связи с постепенным снижением стоимости электроэнергии, полученной из возобновляемых источников, в сочетании с непостоянством выработки такой электроэнергии. Это может привести к рассогласованию между пиковым спросом и доступностью предложения. В Северной Америке, Китае, Японии, Австралии, Южной Европе и других развитых странах с жарким летом пик выработки электроэнергии приходится на полдень, а пик спроса – примерно с 17:00 до 20:00. Это создает возможности для использования теплоаккумулирующих материалов. Материалы с переходом фазы из твердого в жидкое состояние обычно инкапсулируются для установки в конечном изделии, чтобы удержать их в жидком состоянии. В некоторых случаях, особенно при необходимости включения в текстильные материалы, PCM микрокапсулируются. Микрокапсулирование позволяет материалу оставаться твердым в виде небольших пузырьков, даже когда ядро PCM расплавилось.

A phase change material (PCM) is a substance which releases/absorbs sufficient energy at phase transition to provide useful heat or cooling. Generally the transition will be from one of the first two fundamental states of matter solid and liquid to the other. The phase transition may also be between non classical states of matter, such as the conformity of crystals, where the material goes from conforming to one crystalline structure to conforming to another, which may be a higher or lower energy state. The energy released/absorbed by phase transition from solid to liquid, or vice versa, the heat of fusion is generally much higher than the sensible heat. Ice, for example, requires 333.55 J/g to melt, but then water will rise one degree further with the addition of just 4.18 J/g. Water/ice is therefore a very useful phase change material and has been used to store winter cold to cool buildings in summer since at least the time of the Achaemenid Empire. By melting and solidifying at the phase change temperature (PCT), a PCM is capable of storing and releasing large amounts of energy compared to sensible heat storage. Heat is absorbed or released when the material changes from solid to liquid and vice versa or when the internal structure of the material changes; PCMs are accordingly referred to as latent heat storage (LHS) materials. There are two principal classes of phase change material: organic (carbon containing) materials derived either from petroleum, from plants or from animals; and salt hydrates, which generally either use natural salts from the sea or from mineral deposits or are by products of other processes. A third class is solid to solid phase change. PCMs are used in many different commercial applications where energy storage and/or stable temperatures are required, including, among others, heating pads, cooling for telephone switching boxes, and clothing. By far the biggest potential market is for building heating and cooling. In this application area, PCMs hold potential in light of the progressive reduction in the cost of renewable electricity, coupled with the intermittent nature of such electricity. This can result in a misfit between peak demand and availability of supply. In North America, China, Japan, Australia, Southern Europe and other developed countries with hot summers, peak supply is at midday while peak demand is from around 17:00 to 20:00. This creates opportunities for thermal storage media. Solid liquid phase change materials are usually encapsulated for installation in the end application, to contain in the liquid state. In some applications, especially when incorporation to textiles is required, phase change materials are micro encapsulated. Micro encapsulation allows the material to remain solid, in the form of small bubbles, when the PCM core has melted.

Характеристики и классификация

Латентное накопление тепла может быть достигнуто за счет изменения состояния вещества из жидкости в твердое, из твердого в жидкость, из твердого в газ и из жидкости в газ. Однако для материалов с фазовым переходом (PCM) практическими являются только переходы твердое→жидкое и жидкость→твердое. Хотя переходы жидкость-газ характеризуются большей теплотой фазового перехода, чем переходы твердое-жидкое, изменения фазы жидкость-газ нецелесообразны для аккумулирования тепла, поскольку для хранения материалов в газообразном состоянии требуются большие объемы или высокое давление. Изменения фазы твердое-твердое обычно протекают очень медленно и имеют относительно низкую теплоту фазового перехода. Первоначально PCM в состоянии твердо-жидкого перехода ведут себя как материалы для накопления ощутимого тепла; их температура повышается при поглощении тепла. Однако, в отличие от традиционных материалов для накопления ощутимого тепла, когда PCM достигают температуры фазового перехода (температуры плавления), они поглощают большое количество тепла при почти постоянной температуре, пока весь материал не расплавится. При понижении температуры окружающей среды вокруг жидкого материала PCM затвердевает, высвобождая накопленное латентное тепло. Широкий спектр PCM доступен для любого необходимого температурного диапазона от -5 до 190 °C. В пределах комфортного для человека диапазона от 20 до 30 °C некоторые PCM очень эффективны, аккумулируя более 200 кДж/кг латентного тепла, в то время как удельная теплоемкость каменной кладки составляет около 1 кДж/(кг*°C). Таким образом, плотность хранения может быть в 20 раз выше, чем у каменной кладки на килограмм, при допустимом разбросе температуры в 10 °C. Однако, поскольку масса каменной кладки значительно превышает массу PCM, эта удельная теплоемкость (на единицу массы) несколько нивелируется. Масса каменной стены может составлять 200 кг/м², поэтому для удвоения теплоемкости потребуется дополнительно 10 кг/м² PCM.

Гигроскопические материалы

Многие природные строительные материалы гигроскопичны, то есть они могут поглощать (вода конденсируется) и выделять воду (вода испаряется). Процесс происходит следующим образом: конденсация (газ в жидкость) ΔH<0; энтальпия уменьшается (экзотермический процесс), выделяя тепло. Испарение (жидкость в газ) ΔH>0; энтальпия увеличивается (эндотермический процесс), поглощая тепло (или вызывая охлаждение). Хотя этот процесс высвобождает небольшое количество энергии, большая площадь поверхности позволяет достичь значительного (1–2 °C) нагрева или охлаждения в зданиях. Соответствующие материалы – шерстяная изоляция и отделка из земли/глины.

Твердо-твёрдые ПКМ

Специализированная группа материалов, аккумулирующих тепло (МАТ), которые претерпевают фазовый переход "твердое тело – твердое тело" с сопутствующим поглощением и выделением значительного количества тепла. Эти материалы изменяют свою кристаллическую структуру, переходя от одной решетчатой конфигурации к другой при фиксированной и четко определенной температуре, и этот переход может сопровождаться скрытой теплотой, сравнимой с наиболее эффективными материалами, аккумулирующими тепло, с фазовым переходом "твердое тело – жидкость". Такие материалы полезны, поскольку, в отличие от материалов, аккумулирующих тепло, с фазовым переходом "твердое тело – жидкость", им не требуется затраты энергии на зарождение кристаллов для предотвращения переохлаждения. Кроме того, поскольку это фазовый переход "твердое тело – твердое тело", внешне материал, аккумулирующий тепло, не претерпевает видимых изменений, и отсутствуют проблемы, связанные с обращением с жидкостями, такие как необходимость герметизации, потенциальная утечка и т.п. В настоящее время температурный диапазон решений на основе материалов, аккумулирующих тепло, с фазовым переходом "твердое тело – твердое тело", простирается от 50 °C (58 °F) до +175 °C (347 °F).

Термофизические свойства

Ключевые термофизические свойства материалов с фазовым переходом включают: температуру плавления (Tm), теплоту плавления (ΔHfus), удельную теплоемкость (cp) (твердой и жидкой фаз), плотность (ρ) (твердой и жидкой фаз) и теплопроводность. На основе этих значений можно рассчитать изменение объема и объемную теплоемкость.

Термокомпозиты

Термокомпозиты – это термин, обозначающий комбинации материалов с фазовым переходом (PCM) и других (обычно твердых) структур. Простой пример – медная сетка, погруженная в парафиновый воск. Медная сетка в парафиновом воске может рассматриваться как композитный материал, называемый термокомпозитом. Такие гибридные материалы создаются для достижения определенных общих или объемных свойств (например, инкапсулирование парафина в отдельные наносферы диоксида кремния для увеличения отношения площади поверхности к объему и, следовательно, повышения скорости теплопередачи). Теплопроводность – одно из наиболее часто оптимизируемых свойств при создании термокомпозитов. В этом случае основная идея заключается в увеличении теплопроводности путем добавления высокопроводящего твердого вещества (например, медной сетки или графита) в относительно низкопроводящий PCM, тем самым повышая общую или объемную (тепловую) проводимость. Если требуется, чтобы PCM находился в движении, твердое вещество должно быть пористым, например, иметь структуру сетки. Твердые композиты, такие как стекловолокно или кевларовый препрег для аэрокосмической промышленности, обычно состоят из волокна (кевлар или стекло) и матрицы (клея, который затвердевает, удерживая волокна и обеспечивая прочность на сжатие). Термокомпозит не имеет столь четкого определения, но аналогично может включать матрицу (твердую) и PCM, который, конечно, обычно находится в жидком и/или твердом состоянии в зависимости от условий. Также они могут использоваться для обнаружения микроэлементов в земной коре.

Вопросы пожарной безопасности

Некоторые материалы с фазовым переходом суспендированы в воде и относительно нетоксичны. Другие представляют собой углеводороды или другие горючие материалы, либо токсичны. В связи с этим, материалы с фазовым переходом (МФП) должны быть выбраны и применены с особой осторожностью, в соответствии с противопожарными и строительными нормами, а также с применением обоснованных инженерных решений. Учитывая повышенный риск возгорания, распространения пламени, задымления, потенциальной возможности взрыва при хранении в емкостях и юридической ответственности, может быть разумно избегать использования горючих МФП в жилых и других регулярно используемых зданиях. Материалы с фазовым переходом также применяются для теплового регулирования электроники.