Материал с фазовым переходом - Википедия - Phase-change material

А ацетат натрия грелка. Когда раствор ацетата натрия кристаллизуется, он становится теплым.

Воспроизвести медиа

Видео, показывающее "грелку" в действии

А материал с фазовым переходом (PCM) представляет собой вещество, которое выделяет / поглощает достаточное количество энергии при фаза перехода для обеспечения полезного тепла / охлаждения. Обычно переход будет от одного из первых двух основных состояния вещества - твердое и жидкое - к другому. Фазовый переход может также 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 из твердого состояния в жидкость, или наоборот, теплота плавления обычно намного выше, чем явное тепло. Лед, например, тает 333,55 Дж / г, но тогда вода поднимется еще на один градус при добавлении всего 4,18 Дж / г. Следовательно, 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 явное тепло место хранения. Тепло поглощается или выделяется, когда материал превращается из твердого в жидкое и наоборот, или когда изменяется внутренняя структура материала; PCM соответственно именуются скрытая теплота складские (LHS) материалы.

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

PCM используются во многих различных коммерческих приложениях, где требуется накопление энергии и / или стабильные температуры, 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 инкапсулируются для установки в конечном приложении, чтобы удерживать их в жидком состоянии. В некоторых применениях, особенно когда требуется включение в текстиль, материалы с фазовым переходом микрокапсулированный. Микроинкапсуляция позволяет материалу оставаться твердым в виде маленьких пузырьков, когда ядро ​​из ПКМ расплавляется.

Характеристики и классификация

Скрытое накопление тепла может быть достигнуто за счет изменения Состояние вопроса от жидкость → твердое тело, твердое тело → жидкость, твердое тело → газ и жидкость → газ. Однако для ПКМ применимы только переходы твердой фазы в жидкую и жидкую в твердую. 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.

Изначально твердо-жидкие ПКМ ведут себя как явное тепло складские (СВС) материалы; их температура повышается по мере поглощения тепла. Однако в отличие от обычных СВС-материалов, когда ПКМ достигают 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 скрытое тепло. Доступно большое количество ПКМ в любом требуемом диапазоне температур от -5 до 190 ° C.^[1] В пределах комфортного для человека диапазона 20–30 ° 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. ^[2] Однако, поскольку масса кладки намного выше, чем у ПКМ, эта удельная (по массе) теплоемкость несколько компенсируется. Кирпичная стена может иметь массу 200 кг / м², поэтому для удвоения теплоемкости потребуются дополнительные 10 кг / м² PCM.

^[3] Пример PCM на основе органических биологических материалов в оболочке из полиэтилена / 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_пЧАС_2п+2) и липидов, но также и сахарных спиртов.^[4][5][6]

• Преимущества
  • Заморозить без особого переохлаждения
  • Способность плавиться конгруэнтно
  • Самонуклеирующие 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%.^[7][8]
  • Объемная скрытая теплоемкость может быть низкой
  • Легковоспламеняющийся. Частично это можно облегчить с помощью специальных средств сдерживания.

Неорганический

Соль гидраты (M_ИксN_уЧАС₂O) ^[9]

• Преимущества
  • Высокая объемная скрытая теплоемкость
  • Доступность и невысокая стоимость
  • Резкая температура плавления
  • Высокая теплопроводность
  • Высокая температура плавления
  • Негорючий
• Недостатки
  • Трудно предотвратить несоответствующее плавление и разделение фаз при циклировании, которое может вызвать значительную потерю энтальпии скрытой теплоты.^[10]
  • Вызывает коррозию многих других материалов, например металлов.^[11][12][13] Этого можно избежать, заключив небольшое количество 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 долговременной термостойкости и физической прочности макрокапсулирования термопластичной фольги. Применяется для пассивной стабилизации температуры, что приводит к экономии энергии здания HVAC.^[14]

Гигроскопические материалы

Многие природные строительные материалы гигроскопичны, то есть они могут поглощать (конденсировать воду) 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 поверхностей 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 это превращение 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 речь идет о переходе твердой фазы в твердую, нет видимых изменений внешнего вида ПКМ и нет проблем, связанных с обращением с жидкостями, например защитная оболочка, потенциальная утечка и т. д. В настоящее время температурный диапазон твердотельных растворов ПКМ составляет от -50 ° C (-58 ° F) до +175 ° C (347 ° F).^[15]

Критерий отбора

Материал с фазовым переходом должен обладать следующими термодинамическими свойствами:^[16]

• Температура плавления в желаемой Рабочая Температура классифицировать
• 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) = Термическая эффузия (e) Дж · м⁻²· K⁻¹· С^−1/2

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

Имеющиеся в продаже PCM