Инженерный метод определения энтальпии фазового перехода теплоаккумулирующего материала
Предложена методика определения теплоты кристаллизации многокомпонентного теплоаккумулирующего материала, основанная на сравнении температурных кривых охлаждения исследуемого образца и образца с известными теплофизическими свойствами. Запропоновано методику визначення теплоти кристалізації багатоком...
Saved in:
| Published in: | Промышленная теплотехника |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут технічної теплофізики НАН України
2012
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59080 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Инженерный метод определения энтальпии фазового перехода теплоаккумулирующего материала / Ю.Ф. Снежкин, Д.М. Чалаев, Т.В. Коринчевская, Н.Е. Воронцов // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 2. — С. 72-76. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-59080 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Снежкин, Ю.Ф. Чалаев, Д.М. Коринчевская, Т.В. Воронцов, Н.Е. 2014-04-06T14:36:32Z 2014-04-06T14:36:32Z 2012 Инженерный метод определения энтальпии фазового перехода теплоаккумулирующего материала / Ю.Ф. Снежкин, Д.М. Чалаев, Т.В. Коринчевская, Н.Е. Воронцов // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 2. — С. 72-76. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 0204-3602 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59080 620.93 Предложена методика определения теплоты кристаллизации многокомпонентного теплоаккумулирующего материала, основанная на сравнении температурных кривых охлаждения исследуемого образца и образца с известными теплофизическими свойствами. Запропоновано методику визначення теплоти кристалізації багатокомпонентного теплоакумулюючого матеріалу, яка базується на порівнянні температурних кривих охолодження досліджуваного зразка і зразка з відомими теплофізичними властивостями. Method for determination of the crystallization heat of the multi-component heat storage material is proposed. It is based on a comparison of the temperature curves of the cooling of the investigated example and the example with known thermo-physical properties. ru Інститут технічної теплофізики НАН України Промышленная теплотехника Энергосбережение Инженерный метод определения энтальпии фазового перехода теплоаккумулирующего материала The engineering method for the determining enthalpy of the phase change of the heat storage material Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Инженерный метод определения энтальпии фазового перехода теплоаккумулирующего материала |
| spellingShingle |
Инженерный метод определения энтальпии фазового перехода теплоаккумулирующего материала Снежкин, Ю.Ф. Чалаев, Д.М. Коринчевская, Т.В. Воронцов, Н.Е. Энергосбережение |
| title_short |
Инженерный метод определения энтальпии фазового перехода теплоаккумулирующего материала |
| title_full |
Инженерный метод определения энтальпии фазового перехода теплоаккумулирующего материала |
| title_fullStr |
Инженерный метод определения энтальпии фазового перехода теплоаккумулирующего материала |
| title_full_unstemmed |
Инженерный метод определения энтальпии фазового перехода теплоаккумулирующего материала |
| title_sort |
инженерный метод определения энтальпии фазового перехода теплоаккумулирующего материала |
| author |
Снежкин, Ю.Ф. Чалаев, Д.М. Коринчевская, Т.В. Воронцов, Н.Е. |
| author_facet |
Снежкин, Ю.Ф. Чалаев, Д.М. Коринчевская, Т.В. Воронцов, Н.Е. |
| topic |
Энергосбережение |
| topic_facet |
Энергосбережение |
| publishDate |
2012 |
| language |
Russian |
| container_title |
Промышленная теплотехника |
| publisher |
Інститут технічної теплофізики НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
The engineering method for the determining enthalpy of the phase change of the heat storage material |
| description |
Предложена методика определения теплоты кристаллизации многокомпонентного теплоаккумулирующего материала, основанная на сравнении температурных кривых охлаждения исследуемого образца и образца с известными теплофизическими свойствами.
Запропоновано методику визначення теплоти кристалізації багатокомпонентного теплоакумулюючого матеріалу, яка базується на порівнянні температурних кривих охолодження досліджуваного зразка і зразка з відомими теплофізичними властивостями.
Method for determination of the crystallization heat of the multi-component heat storage material is proposed. It is based on a comparison of the temperature curves of the cooling of the investigated example and the example with known thermo-physical properties.
|
| issn |
0204-3602 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/59080 |
| citation_txt |
Инженерный метод определения энтальпии фазового перехода теплоаккумулирующего материала / Ю.Ф. Снежкин, Д.М. Чалаев, Т.В. Коринчевская, Н.Е. Воронцов // Промышленная теплотехника. — 2012. — Т. 34, № 2. — С. 72-76. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT snežkinûf inženernyimetodopredeleniâéntalʹpiifazovogoperehodateploakkumuliruûŝegomateriala AT čalaevdm inženernyimetodopredeleniâéntalʹpiifazovogoperehodateploakkumuliruûŝegomateriala AT korinčevskaâtv inženernyimetodopredeleniâéntalʹpiifazovogoperehodateploakkumuliruûŝegomateriala AT voroncovne inženernyimetodopredeleniâéntalʹpiifazovogoperehodateploakkumuliruûŝegomateriala AT snežkinûf theengineeringmethodforthedeterminingenthalpyofthephasechangeoftheheatstoragematerial AT čalaevdm theengineeringmethodforthedeterminingenthalpyofthephasechangeoftheheatstoragematerial AT korinčevskaâtv theengineeringmethodforthedeterminingenthalpyofthephasechangeoftheheatstoragematerial AT voroncovne theengineeringmethodforthedeterminingenthalpyofthephasechangeoftheheatstoragematerial |
| first_indexed |
2025-11-24T17:50:12Z |
| last_indexed |
2025-11-24T17:50:12Z |
| _version_ |
1850490390229024768 |
| fulltext |
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №272
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
УДК 620.93
Снежкин Ю.Ф.1, Чалаев Д.М.1, Коринчевская Т.В.1, Воронцов Н.Е.2
1 Институт технической теплофизики НАН Украины
2 Национальный технический университет Украины «КПИ»
ИНЖЕНЕРНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНТАЛЬПИИ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА
ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩЕГО МАТЕРИАЛА
Запропоновано методику виз-
начення теплоти кристалізації ба-
гатокомпонентного теплоакуму-
люючого матеріалу, яка базується
на порівнянні температурних кри-
вих охолодження досліджуваного
зразка і зразка з відомими теп-
лофізичними властивостями.
Предложена методика опреде-
ления теплоты кристаллизации
многокомпонентного теплоаккуму-
лирующего материала, основанная
на сравнении температурных кри-
вых охлаждения исследуемого об-
разца и образца с известными теп-
лофизическими свойствами.
Method for determination of
the crystallization heat of the multi-
component heat storage material is
proposed. It is based on a comparison
of the temperature curves of the cooling
of the investigated example and the
example with known thermo-physical
properties.
A – площадь между кривыми изменения тем-
пературы исследуемого образца и окружающей
среды;
A' – площадь между кривыми изменения тем-
пературы образца с известными свойствами и
окружающей среды;
с – удельная теплоемкость;
d – диаметр пробирки;
F – площадь внешней поверхности;
h – энтальпия;
l – длина пробирки;
m – масса;
s – толщина стенки пробирки;
Т – температура;
α – коэффициент теплоотдачи от пробирки к
окружающей среде;
λ – коэффициент теплопроводности;
τ – время;
Bi – критерий Био;
ТАМ – теплоаккумулирующий материал.
Индексы нижние:
0 – начало эксперимента;
i – шаг эксперимента;
в – вода;
ж – жидкая фаза материала;
к – окончание эксперимента;
ос – окружающая среда;
пр – пробирка;
ТАМ – образец исследуемого теплоаккумули-
рующего материала;
тв – твердая фаза материала.
Введение
Аккумулирование тепловой энергии явля-
ется эффективным механизмом выравнивания
графика нагрузки электрических сетей, так как
в ночное время потребление электроэнергии
существенно уменьшается и система электро-
снабжения несет большие потери.
В качестве рабочих тел в установках акку-
мулирования тепловой энергии перспективно
применение материалов с фазовым переходом,
обеспечивающих высокую плотность нако-
пления энергии. Для технологического расчё-
та тепловых аккумуляторов и оценки их энер-
гетической эффективности необходимо знать
теплофизические свойства аккумулирующих
сред, важнейшим среди которых является эн-
тальпия фазового перехода материала при его
плавлении и кристаллизации.
В настоящее время наиболее распростра-
ненными методами измерения теплофизи-
ческих свойств материалов являются методы
калориметрии. Преимуществом этих методов
является высокая точность измерений, а недо-
статком – трудоемкость исследований и доро-
говизна измерительного оборудования. В ка-
лориметрических приборах обычно исполь-
зуют маленькие навески образцов материала
(менее грамма), что может дать значительную
погрешность при исследовании многокомпо-
нентных материалов вследствие возможного
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №2 73
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
неравномерного распределения компонентов в
смеси.
В 1998 г. Z. Yinping [1] предложил метод
расчета энтальпии теплоаккумулирующих ма-
териалов с фазовым переходом по кривой их
охлаждения. «Temperature-history method» (да-
лее T-history метод) основан на анализе изме-
нения температуры двух материалов, находя-
щихся в воздушном термостате при одинако-
вых условиях. В этом методе исследования
могут быть использованы образцы ТАМ с
большой массой, что позволяет избежать ука-
занных выше проблем, связанных с измере-
нием энтальпии многокомпонентных материа-
лов.
Преимуществом T-history метода являет-
ся простота и дешевизна оборудования, а не-
достатком – не очень высокая точность. Для
оценки величины погрешности данного мето-
да исследования нами была разработана эк-
спериментальная установка и выполнено
сравнение энтальпии фазового перехода мно-
гокомпонентного теплоаккумулирующего ма-
териала, полученной путем калориметричес-
ких измерений на микрокалориметре ДСМ-2М
и T-history методом.
Методика исследований
Принцип работы экспериментального стен-
да (рис. 1) основан на сравнении кривых ох-
лаждения исследуемого образца и образца с
известными теплофизическими свойствами,
находящихся в одинаковых температурных
условиях.
Рис. 1. Схема экспериментального стенда.
Экспериментальная установка включает
воздушный термостат, в который помещают-
ся пробирки с исследуемым материалом и
эталонным веществом (дистиллированной во-
дой). Пробирки представляют собой стеклян-
ные трубки одинакового размера (d = 10 мм,
s = 1 мм, L = 250 мм), закрытые с обеих сто-
рон резиновыми пробками. Через пробки про-
пущены термопары, измерительные головки
которых расположены в центральной части
пробирки. Показания термопар (частота опро-
са 1 секунда) с помощью аналогово-цифрового
преобразователя записываются в компьютер.
Для исключения влияния неравномернос-
ти распределения температур по объёму об-
разцов при их охлаждении геометрические
размеры пробирок должны удовлетворять ус-
ловию:
Bi = (αd)/(4λ) < 0,1. (1)
Перед проведением эксперимента обе про-
бирки нагреваются на водяной бане до тем-
пературы выше точки плавления исследуемо-
го теплоаккумулирующего материала, после
чего помещаются в воздушный термостат. В
процессе эксперимента производится запись
температур образцов и воздушной среды в
термостате. Эксперимент заканчивается после
охлаждения обеих пробирок до температуры
ниже точки кристаллизации теплоаккумули-
рующего материала.
На протяжении опыта температура в тер-
мостате поддерживается с точностью ± 0,5 ºС.
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №274
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
Пробирки подвешиваются на тонких нитях в
горизонтальном положении на одинаковой вы-
соте, что обеспечивает одинаковые условия
омывания пробирок воздухом.
По данным, полученным в процессе про-
ведения эксперимента, строится график изме-
нения температур обеих пробирок во времени
(рис. 2). Полученные кривые охлаждения ис-
пользуются для расчета теплоты фазового пе-
рехода теплоаккумулирующего материала.
Методика определения теплоты фазового
перехода заключается в сравнении скоростей
охлаждения образцов. Энтальпия h исследу-
емого образца рассчитывается путем матема-
тического описание теплоотдачи [1, 2] от про-
бирок с исследуемым материалом и эталонным
веществом.
Тепловой баланс ТАМ от момента начала
охлаждения расплавленного образца до начала
фазового перехода:
( ) ( )P P TAM TB0m c m c T TΠ Π⋅ + ⋅ ⋅ − =
( )
1
P OC P 1
0
.F T T d F AΠ Π
τ
= α ⋅ − τ = α ⋅ ⋅∫ (2)
Тепловой баланс ТАМ в процессе фазового
перехода:
( )
2
TAM P OC P
1
2.m h F T T d F AΠ Π
τ
⋅ = α ⋅ − τ = α ⋅ ⋅∫
τ
(3)
Рис. 2. Кривые зависимости «температура - время» для исследуемого образца (ТАМ),
образца с известными свойствами (дистиллированная вода) и окружающей среды.
Тепловой баланс при охлаждении твердой
фазы ТАМ:
( ) ( )P P TAM TB TB Km c m c T TΠ Π⋅ + ⋅ ⋅ − =
( )
3
P OC P
2
3F T T d F AΠ Π
τ
τ
= α ⋅ − τ = α ⋅ ⋅∫ . (4)
Баланс энергии для вещества с известными
свойствами (дистиллированная вода) выража-
ется следующими уравнениями:
( ) ( )P P B B TB0m c m c T TΠ Π⋅ + ⋅ ⋅ − =
( )
1
P OC P 1
0
dF T T F AΠ Π
′τ
′= α ⋅ − τ = α ⋅ ⋅∫ ; (5)
( ) ( )P P B B TB Km c m c T TΠ Π⋅ + ⋅ ⋅ − =
( )
2
P OC P 2dF T T F AΠ Π
′τ
′τ
′= α ⋅ − τ = α ⋅ ⋅∫ . (6)
Совместное решение зависимостей (2) – (6)
позволяет вычислить теплофизические свой-
ства изучаемого материала:
B B P P P
TB P
TAM TAM
3
2
Am c m c mc c
m A m
Π Π Π
Π
⋅ + ⋅
= ⋅ −
′
; (7)
B B P P P
P
TAM TAM
1
1
Am c m c mc c
m A m
Π Π Π
Π
⋅ + ⋅
= ⋅ −
′
; (8)
d
ж
ж
ж
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №2 75
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
( )B B P P
TB
TAM
2
0
1
Am c m ch T T
m A
Π Π⋅ + ⋅
= ⋅ −
′
. (9)
Уравнения (7), (8) и (9) соответствуют ус-
ловиям кристаллизации чистых материалов,
имеющих фиксированную температуру фазо-
вого перехода. Применение этих зависимос-
тей для вычисления энтальпии фазового пе-
рехода многокомпонентных ТАМ, при затвер-
девании которых наблюдается несколько пи-
ков кристаллизации, дает значительное рас-
хождение с данными, полученными с помо-
щью калориметрических измерений.
Повышение точности данного метода при
исследовании процессов кристаллизации мно-
гокомпонентных ТАМ может быть достигну-
то путем разбиения температурно-временной
кривой охлаждения на малые температурные
интервалы ΔТi, в пределах которых сравнива-
ется время охлаждения ТАМ Δτi = τi+1 – τi и
эталонного образца Δτ'i = τ'i+1 – τ'i. При этом
уравнения (2) – (6) будут иметь вид:
- для материала с фазовым переходом
( ) ( ) ( )P PTAM TAM 1i i i im h T m c T T TΠ Π +⋅∆ + ⋅ ⋅ − =
( )P OC Pd
i i
i
iF T T F AΠ Π
τ +∆τ
τ
= α ⋅ − τ = α ⋅ ⋅∫ ; (10)
- для эталонного вещества
( ) ( )( ) ( )P P B B 1i im c T m c T T TΠ Π +⋅ + ⋅ ⋅ − =
( )P OC Pd
i i
i
iF T T F AΠ Π
′ ′τ +∆τ
′τ
′= α ⋅ − τ = α ⋅ ⋅∫ . (11)
Из уравнений (10) и (11) определяем из-
менение энтальпии исследуемого материала
ΔhТАМ(Ti) в интервале температур ΔTi:
B B P P
TAM
TAM
( ) ( )( ) i i
i
m c T m c Th T
m
Π Π
⋅ + ⋅
∆ = ×
P
P
TAM
( ) .³
i i i
³
A mT c T T
A m
Π
Π× ⋅∆ − ∆
′
(12)
Интегральная величина энтальпии опреде-
ляется как сумма энтальпий во всем интервале
изменения температуры образца:
TAM TAM TAM 0
1
( )
N
i
i
h h T h
=
= ∆ + ∆∑ . (13)
Результаты исследования
На основе представленной выше преоб-
разованной математической модели вычисле-
ния энтальпии фазового перехода многоком-
понентных ТАМ была разработана программа
«T-History» на языке Delphi. Программа по-
зволяет автоматизировать процесс обработ-
ки экспериментальных данных и представить
результаты исследования в виде графических
зависимостей.
Для исследований мы использовали мо-
дельные органические смеси, применяемые
для литья по выплавляемым моделям, в сос-
тав которых входят парафин, буроугольный
воск и полиэтиленовый воск. В качестве эта-
лонного вещества использовалась дистилли-
рованная вода. Перед экспериментом обе про-
бирки были нагреты до температуры 85 °С.
После ввода исходных данных (масса ма-
териалов mТАМ, mв и пробирок mпр, теплоем-
кость эталонного вещества св и материала
пробирки спр), приведенных в табл. 1, про-
грамма рассчитывает и выводит на экран в ви-
де графика (рис. 3, а) текущие значения эн-
тальпий ΔhTAM(Ti), после чего рассчитывает
суммарную величину энтальпии hTAM в ин-
тервале изменения температуры образца.
Расчетная кривая изменения энтальпии
кристаллизации во времени показывает, что
наибольшее количество теплоты выделяется в
интервале 50…60 ºС, что совпадает с данны-
ми калориметрических измерений (рис. 3). На
расчетной кривой (рис. 3, а) также наблюда-
ются менее выраженные пики в интервалах
температур 34…46 ºС и 64…72 ºС, соответству-
ющие кристаллизации компонентов компози-
ции (рис. 3, б).
Интегральное значение энтальпии крис-
таллизации в интервале температур 30…80 ºС,
рассчитанное Т-history методом, составило
167,6 кДж/кг. Энтальпия кристаллизации в том
же интервале температур, измеренная с по-
ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2012, т. 34, №276
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ
мощью дифференциального сканирующего
микрокалориметра ДСМ - 2М, была равна
152,1 кДж/кг [3]. Таким образом, расхождение
не превышает 10 %, что говорит о возможнос-
ти использования предлагаемого метода для
определения теплоты фазового перехода мно-
гокомпонентных теплоаккумулирующих мате-
риалов.
Выводы
Исследования по измерению энтальпии
фазового перехода теплоаккумулирующих ма-
териалов с помощью Т-history метода показа-
ли, что данный метод обеспечивает точность
определения энтальпии в пределах 10 %, что
вполне достаточно для выполнения инженер-
ных расчетов тепловых аккумуляторов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Z. Yinping. A simple method, the T-history
method, of determining the heat of fusion, specific
heat and thermal conductivity of phase-change
materials // Measurement science and technology.
– 1999. – № 10. – P. 201-205.
2. J. M. Marіn, B. Zalba, L. F. Cabeza, H.
Mehling. Determination of enthalpy-temperature
curves of phase change materials with the
temperature-history method: improvement to
temperature de-pendent properties // Measurement
science and technology. – 2003. – № 14. – P. 184-
189.
3. Михайлик В.А., Снежкин Ю.Ф., Коринчев-
ская Т.В., Парняков А.С., Постников В.А. Ис-
следование фазовых переходов в органических
теплоаккумулирующих материалах // Промыш-
ленная теплотехника. – 2011. – Т. 33, № 5. –
С. 96-103.
Получено 06.03.2012 г.
а) б)
Рис. 3. Кривые кристаллизации композиции, содержащей 90 % парафина
и 10 % буроугольного воска, полученные с помощью с помощью T-History метода (а)
и дифференциального сканирующего микрокалориметра (б).
Табл. 1. Данные для расчета энтальпии с помощью программы «T-History»
Данные ТАМ с фазовым перехо-
дом (модельная смесь) Вода дистиллированная Пробирка
стеклянная
Масса, 10-3кг 14,86 18,42 23,30
Теплоемкость, кДж/(кг·К) – 4,183 0,84
|