Методологические основы оценки эффективности теплового аккумулятора, работающего на фазопереходных теплоаккумулирующих материалах

Целью теплосберегающей энергетики в настоящее время является повышение эффективности потребляемых энерго и топливных ресурсов за счет создания и модернизации технологий, способных к эффективному сбору и длительному хранению тепловой энергии. Более рациональное потребление тепловой энергии, контролируемо используемой по мере необходимости, позволит перейти к энергосберегающей политике расхода ресурсов. Однако, одним из основных факторов, определяющих конкурентоспособность разрабатываемых энергосберегающих технологий остается финансовая составляющая. Ядром теплоаккумулирующей системы, вносящим до 80 % в стоимость систем хранения тепла, являются теплоаккумулирующие материалы. Это поднимает вопросы об оптимизации разрабатываемых технологий накопления и использования тепловой энергии в необходимом объеме, что сопровождается необходимостью отработки создаваемых теплоаккумулирующих материалов в условиях практической эксплуатации. В работе предлагается пошаговый подход к оптимизации свойств теплоаккумулирующих составов для повышения их эффективной работы в тепловом аккумуляторе. Это обуславливает необходимость рассмотрения параметров, обеспечивающих эффективную и безопасную работу теплового аккумулятора с использованием перспективных фазопереходных теплоаккумулирующих материалов на основе кристаллогидратов. Предлагаемый алгоритм, состоящий из методологии выбора кристаллогидратов и методологии исследования теплоаккумулирующих материалов апробирован при создании теплоаккумулирующего материала на основе CH3COONa·3H2O и показаны отличия представленных результатов в лабораторных и опытных условиях работы теплоаккумулирующего материала. В ходе синтеза смеси CH3COONa·3H2O и Na4P2O7·10H2O была существенно увеличена теплоемкость в жидкой фазе с 2.37 у CH3COONa·3H2O до 5.64 у фазопереходных теплоаккумулирующих материалов, энтальпия плавления с 226 до 259.8 кДж/кг. Переохлаждение ΔT снизилось с 90 до 1.45 °C, а температура плавления осталась на уровне 58 °C. При этом стоимость фазопереходных теплоаккумулирующих материалов увеличилась в 1.5 раза по сравнению с исходным ацетатом и составила 340 руб/кг. Это показывает значимость достигнутых результатов при проверке работоспособности теплоаккумулирующих материалов в условиях опытного образца теплового аккумулятора с целью их дальнейшей оптимизации. Разработанная методология полезна для исследователей, планирующих промышленный синтез полученных теплоаккумулирующих материалов, во избежание низкой эффективности опытного образца.

1. Economic value of heat storage systems. Compact Retrofit Advanced Thermal Energy storage. – 2016. – P. 47.

2. Barreneche, C. New database on phase change materials for thermal energy storage in buildings to help PCM selection / C. Barreneche [et al.] // Energy Procedia. – 2014. – Vol. 57. – P. 2408-2415.

3. Cabeza, L. F. Materials used as PCM in thermal energy storage in buildings: A review. / L. F. Cabeza [et al.] // Ren. and Sust. Energy Reviews. – 2011. – Vol. 15. – P. 1675-1695.

4. Пат. 2020621948 Российская Федерация. Базы данных свойств теплоаккумулирующих материалов для систем отопления и горячего водоснабжения (БД ТАМ). / Моржухина С.В., Моржухин А.М., Тестов Д.С.; заявитель и патентообладатель OOO “AV Technology”. – № 2020621867 заявл.15.10.2020, Бюл. №10 – 6,95 Мб

5. Ushak, S. Thermodynamic modeling and experimental verification of new eutectic salt mixtures as thermal energy storage materials. / S. Ushak [et al.] // Sol. Energy Mat. & Sol.Cells. – 2020. – Vol. 209. – P. 110475.

6. Energy storage roadmap. Technology and institution. Innovation for Cool Earth Forum. – November 2017. – P. 49.

7. Purohit, B. K. Inorganic salt hydrate for thermal energy storage application: A review / B. K. Purohit, V. S. Sistla // Energy Storage. – 2021. – Vol. 3. – P. e212.

8. Telkes, M. Solar house heating: problem of heat storage. / M. Telkes // Heat. Vent. – 1947. – Vol. 44.

9. Abhat, A. Low temperature latent heat thermal energy storage: heat storage materials. / A. Abhat // Solar energy. – 1983. – Vol. 30. – P. 313-332.

10. Мозговой, А.Г. Теплофизические свойства теплоаккумулирующих материалов. Кристаллогидраты: Обзоры по теплофизическим свойствам веществ. / А.Г. Мозговой - М.: ТФЦ ИВТАН. 1990. №2(82). 106 с.

11. Zalba, B. Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications. / B. Zalba [et al.] // App. Therm. Engin. – 2003. – Vol. 23. – P. 251–283.

12. Kenisarin, M. Review. Salt hydrates as latent heat storage materials: Thermophysical properties and costs. / M. Kenisarin, K. Mahkamov // Sol. Energy Mat. & Sol.Cells. – 2016. – Vol. 145. – P. 255-286.

13. Соболев, А.Ю. Исследование фазовых превращений трехводного ацетата натрия методами термического анализа. / А.Ю. Соболев // Наукові праці ДонНТУ. Серія: Хімія і хімічна технологія – 2014. – Випуск 1(22). – 30-37 с.

14. Green, W.F. The “melting-point” of hydrated sodium acetate: solubility curves. / W.F. Green // J. Phys. Chem. – 1908. – Vol. 12 (9). – P. 655–660.

15. Guion, J. Critical examination and experimental determination of melting enthalpies and entropies of salt hydrates. / J. Guion, J.D. Sauzade, M. Laügt // Thermochim. Acta. – 1983. – Vol. 67(2). – P. 167–179.

16. Zhang, Y. A simple method, the T-history method, of determining the heat of fusion, specific heat and thermal conductivity of phase-change materials. / Y. Zhang, Y. Jiang, Y. Jiang // Meas. Sci. Technol. – 1999. – Vol.10. – P. 201–205.

17. Meisingset, K.K. Thermodynamic properties and phase transitions of salt hydrates between 270 and 400 K. III. CH3CO2Na∙3H2O, CH3CO2Li·2H2O and (CH3CO2)2Mg·4H2O. / K.K. Meisingset, F. Grønvild // J. Chem. Thermdyn. – 1984. – Vol. 16 (9). – P. 523–536.

18. Naumann, R. Thermoanalytical investigation of sodium acetate trihydrate for application as a latent heat thermal energy storage material. / R. Naumann, T. Fanghänel, H.H. Emons // J. Therm. Anal. – 1988. – Vol. 33 (3). – P. 685–690.

19. Wood D.G. Characterization of latent heatreleasing phase change materials for dermal therapies. / D.G. Wood [et al.] // J. Phys. Chem. – 2011. – Vol. 115 (16). – P. 8369–8375.

20. Inaba, H. A study on latent heat storage using a supercooling condition of hydrate (1st report, An estimation of physical properties of hydrate sodium acetate including a supercooling condition). / H. Inaba [et al.] // Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng. – 1992. – Vol. 58 (553). – P. 2848–2856. (In Japanese).

21. Pebler. A. Dissociation vapor pressure of sodium acetate trihydrate. / Pebler. A. // Thermochim. Acta. 1975. – Vol. 13. – P.109–114.

22. Wada, T. Studies on salt hydrate for latent heat storage. I. Crystal nucleation of sodium acetate trihydrate catalysed by tetrasodium pyrophosphate decahydrate. / T. Wada, R. Yamamoto // Bul. Chem. Soc. Jpn. – 1982. – Vol. 55. – P. 3603–3606.

23. Naumann, R. Results of thermal analysis for investigation of salt hydrates as latent heat-storage materials. / R. Naumann, H.H. Emons // J Therm Anal Calorim – 1989. – Vol. 35. – P. 1009-1031.

24. Hong, H. Accuracy improvement of T-history method for measuring heat of fusion of various materials. / H . H ong, S .K. K im, Y -S. Kim // Int J Refrig. – 2004. – Vol. 27. – P. 360-366.

25. Lane, G.A. Low temperature heat storage with phase change materials. Int. J. Ambient Energy. / G.A. Lane // 1980. – Vol. 1. – P. 155–168.

26. Aboul-Enein S. Storage of low temperature heat in salt- hydrate melts for heating applications. / S. Aboul-Enein, M.R.I Ramadan. //Sol. Wind Technol. – 1988. – Vol. 5. – P. 441–444.

27. Abhat, A. Latent heat thermal energy storage - Determination of properties of storage media and development of a new heat transfer system (in German). / A. Abhat, S. Aboul-Enein, N.A. Malatidis // Report N BMFT-FB-T 82-016, German Ministry for Science and Technology, Bonn, FRG. – 1982.

28. Magin, R.L. Transition temperatures of the hydrates of Na2SO4, Na2HPO4 and K F a s f ixed p oints i n biomedical thermometry. / R.L. Magin [et al.] // J. Res. Nat. Bur. Stand. – 1981. – Vol. 86. – P. 181-192.

29. Lorsch, H.G. Thermal energy storage for solar heating and off-peak conditioning. / H.G. Lorsch, K.W. Kauffmann, I.C. Denton // Z/Energy Convers. – 1975. – Vol.15. – P. 1-8.

30. Ewing, W.W. The temperature- composition relations of the binary system zink nitrate-water. / W.W. Ewing, I.I. Mc.Govern, G.E. Matheus // J. Am. Chem. Soc. – 1933. – Vol. 55. – P. 4827—4830.

31. Jain, S.K. Density, viscosity, and surface tension of some single molten hydrated salts. / S.K. Jain // J. Chem. Eng. Data. – 1978. – Vol. 23 (2). – P. 170–173.

32. Jain, S.K. Solution properties of the molten hydrates of zinc nitrate. / S.K. Jain, R. Tamamuski // Can. J. Chem. – 1980. – Vol. 58. – P.1697-1703.

33. Xiao, Q. Fabrication and characteristics of composite phase change material based on Ba(OH)2∙8H2O for thermal energy storage. / Q. Xiao [et al.] // Sol. Energy Mat. & Sol.Cells. – 2018. – Vol. 179. – P. 339-345.9.

34. Kumar, R.S. Differential Scanning Calorimetry (DSC) analysis of latent heat storage materials for low temperature (40-80 °C) solar heating applications. / R.S. Kumar, D.J. Krishna // Int. J. Eng. Res. Technol. – 2013. – Vol. 2. – P. 429-455.

35. Telkes, M. Thermal storage in salt-hydrates. / M. Telkes // Solar Materials Science. – 1980. – Vol. 1. – P. 377-404.

36. Beaupere, N. Nucleation triggering methods in supercooled phase change materials (PCM), a review. / N. Beaupere, U. Soupremanien, L. Zalewski // Thermochimica Acta. – 2018. – Vol. 670. – P. 184-201.

37. Kumar, N. Exploring additives for improving the reliability of zinc nitrate hexahydrate as a phase change material (PCM). / N. Kumar, D. Banerjee, R. Jr. Chaves // Journal of Energy Storage. – 2018. – Vol. 20. – P. 153-162.

38. Моржухин, А.М. Критерии выбора и теплофизические свойства низкотемпературных теплоаккумулирующих материалов для систем хранения тепловой энергии (обзор). / А.М. Моржухин [и др.] // ISJAEE. – 2019. – № 22-27. – с. 92-106.

39. Sharma, A. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications. / A. Sharma [et al.] // Ren. and Sust. Energy Reviews. – 2009. – Vol. 13. – P. 318-345.

40. Nazir, H. Recent developments in phase change materials for energy storage applications: A review. / H. Nazir [et al.] // Int. J. Heat Mass Trans. – 2019. – Vol. 129. – P. 491-523.

41. Morzhukhin, A.M. Selection principles and investigation of substances for synthesis of composite medium- temperature phase change materials for space heating and domestic hot water. / A.M. Morzhukhin, D.S. Testov, S.V. Morzhukhina // Materials Science Forum ISSN: 1662-9752. – 2020. – Vol. 989. – P. 165-171.

42. Pielichowska, K. Phase change materials for thermal energy storage. / K. Pielichowska, K. Pielichowski // Prog. Mat. Sci. – 2014. – Vol. 65. – P. 67- 123.

43. Risti, A. IEA SHC Task 42 / ECES Annex 29 WG A1: Engineering and processing of PCMs, TCMs and sorption materials. / A. Risti [et al.] // Energ. Proc. – 2016. – Vol. 91. – P. 207 – 217.

44. Yang, K. A methodological concept for phase change material selection based on multi-criteria decision making (MCDM): A case study. / K. Yang [et al.] // Energy. – 2018. – Vol. 165. – P. 1085-1096.

45. He, M. Preparation, thermal characterization and examination of phase change materials (PCMs) enhanced by carbon-based nanoparticles for solar thermal energy storage. / M. He [et al.] // Journal of Energy Storage. – 2019. – Vol. 25. – P. 100874.

46. Rathod, M.K. A methodological concept for phase change material selection based on multiple criteria decision analysis with and without fuzzy environment. / M.K. Rathod, H.V. Kanzaria // Materials & Design. – 2011. – Vol. 32. – P. 3578-3585.

47. Choudhury, H. Barium and barium compounds. / H. Choudhury [et al.] // World Health Organization & International Programme on Chemical Safety. – 2001. – 57 p.

48. Карапетьянц, М.Х. Методы сравнительного расчёта физико-химических свойств / М.Х. Карапетьянц – М.: Наука.,1965. – 404 с.

49. Амер, А.Э. Выбор материалов с фазовым переходом с использованием метода анализа иерархий (МАИ). / А.Э. Амер, К. Рахмани, В.А. Лебедев // Международный научно-исследовательский журнал. – 2020. – № 6-1 (96). – С. 35-48.

50. Тестов, Д.С. Концепция выбора теплоаккумулирующих материалов с использованием нового алгоритма многокритериальной оптимизации, включающей модифицированный метод анализа иерархии (мМАИ). / Д.С. Тестов, С.В. Моржухина, А.М. Моржухин // Физическая и аналитическая химия природных и техногенных систем: сборник трудов Всероссийской конференции с международным участием Дубна: Гос. ун-т «Дубна». – 2021. – 160-167 с.

51. Srikar, V.T. Materials selection in micromechanical design: An application of the Ashby approach. / V.T. Srikar, S.M. Spearing // J. Microelectromechanical Syst. – 2003. – Vol. 12. – P. 3–10.

52. Tebaldi, M.L. Polymers with nano-encapsulated functional polymers: encapsulated phase change materials. Design and Applications of Nanostructured Polymer Blends and Nanocomposite Systems. / M.L. Tebaldi, R.M. Belardi, S.R. Montoro // William Andrew Publishing. – 2016. – С. 155-169.

53. Yinping, Z. A simple method, the T-history method, of determining the heat of fusion, specific heat and thermal conductivity of phase-change materials. / Z. Yinping, J. Yi // Meas. Sci. Technol. – 1999. – Vol. 10. – P. 201-205.

54. Lorsch, H.G. Thermal energy storage for solar heating. / H.G. Lorsch // ASHRAE J. – 1975. – Vol. 17. – P. 47-52.

55. Александров, В. Д. Тепловые эффекты при плавлении и кристаллизации в системе карбонат натрия десятиводный–сульфат натрия десятиводный методом ДТА. / В.Д. Александров, А.Ю. Соболев // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія: Хімія і хімічна технологія. – 2012. – №. 19. – С. 45-48.

56. Александров, В.Д. Использование теплоаккумулирующих материалов на основе кристаллогидратов солей натрия в транспортных средствах. / В.Д. Александров [и др.] // Вісник Донецької академії автомобільного транспорту. – 2015. – № 1. – 34-41 c.

57. Wei, G. Selection principles and thermophysical properties of high temperature phase change materials for thermal energy storage: A review. / G. Wei [et al.] // Ren. and Sust. Energy Reviews. – 2018. – Vol. 81. – P. 1771-1786.

58. Voigt, W. Solid–liquid equilibria in mixtures of molten salt hydrates for the design of heat storage materials. / W. Voigt, D. Zeng // Pure and applied chemistry. – 2002. – Vol. 74. – P. 1909-1920.

59. Tao, Y .B. A r eview o f p hase change material and performance enhancement method for latent heat storage s ystem. / Y .B. T ao, Y .L. H e / / Ren. and Sust. Energy Reviews. – 2018. – Vol. 93. – P. 245-259.

60. Kibria, M.A. A review on thermophysical properties of nanoparticle dispersed phase change materials. M.A. Kibria [et al.] // Energy conversion and management. – 2015. – Vol. 95. – P. 69-89.

61. Zhou, D. Thermal characterisation of binary sodium/ lithium nitrate salts for latent heat storage at medium t emperatures. / D . Z hou, P . E ames / / Sol. Energy Mat. & Sol.Cells. – 2016. – Vol. 157. – P. 1019-1025.

62. Qureshi, Z.A. Recent advances on thermal conductivity enhancement of phase change materials for energy storage system: a review. / Z.A. Qureshi, H.M Ali., S. Khushnood // International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2018. – Vol. 127. – P. 838-856.

63. Kośny, J. PCM-Enhanced Building Components. An Application of Phase Change Materials in Building Envelopes and Internal Structures. (Engineering Materials and Processes) / J. Kośny – Springer. Boston, MA, 2015. – P. 280.

64. Pouillen, P. Les transformations polymorphiques des cristaux de nitrates de metaux bivalents hexahydrates (NO3)2 -·6H2O o u M= Z n, M g, M n, C u. / P . Pouillen // Comptes rendus hebdomadaires des seances de l academie des sciences. – 1960. – Vol. 250. – P. 3318-3319.

65. Zahir, M.H. Supercooling of phase-change materials and the techniques used to mitigate the phenomenon. / M.H. Zahir [et al.] // App. Energ. – 2019. – Vol. 240. – P. 793–817.

66. Safari, A. A review on supercooling of Phase Change Materials in thermal energy storage systems. / A. Safari [et al.] // Ren. and Sust. Energy Reviews. – 2017. – Vol. 17. – P. 905-919.

67. Taylor, R.A. Experimental characterisation of sub-cooling in hydrated salt phase change materials. / R.A. Taylor, N. Tsafnat, A. Washer // App. Therm. Engin. – 2016. – Vol. 93. – P. 935–938.

68. Александров, В.Д. Термический гистерезис при плавлении и кристаллизации макрообъектов. / В.Д. Александров, Е.А. Покинтелица, А.Ю. Соболев // Журнал технической физики. – 2017. – Т. 87. – №. 5. – С. 722-725.

69. Eastman, J.A. Enhanced thermal conductivity through the development of nanofluids. / J.A. Eastman [et al.] // MRS Proc. Cambridge Univ Press. – 1996. – P. 3.

70. Wu, Y. Hydrated salts/expanded graphite composite with high thermal conductivity as a shapestabilized phase change material for thermal energy storage. / Y. Wu, T. Wang // Energy conversion and management. – 2015. – Vol. 101. – P. 164-171.

71. Элсайед, А.А. Влияние термоциклирования на выбор рабочего тела с фазовым переходом для теплоаккумуляторов систем солнечного теплоснабжения. / А.А. Элсайед, В.А. Лебедев // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2020. – Т. 24. – №. 3 (152). – 570-581 с.

72. Gomez, J.C. High-Temperature Phase Change Materials (PCM) Candidates for Thermal Energy Storage (TES) Applications. / J.C. Gomez // National Renewable Energy Laboratory. September 2011. P. 36.

73. Gabriela, L. Thermal Energy Storage with Phase Change Material. / L. Gabriela // Leon. El. J. of Pract. and Tech. – 2012. – P. 75-98.

74. Sarbu, I. A Comprehensive Review of Thermal Energy Storage. / I. Sarbu, C. Sebarchievici // Sustainability. – 2018. – Vol. 10. – P. 32.

75. Снежкин, Ю.Ф. Удельная теплоемкость и теплопроводность теплоаккумулирующих материалов на основе парафина, буроугольного и полиэтиленового восков. / Ю.Ф. Снежкин [и др.] // Problemele energeticii regionale. Termoenergetică. – 2014. – № 2(25). – 38-46 с.

76. Nkwetta, D. Nch. Thermal energy storage with phase change material - A state-of-the a rt r eview. / D . Nch. N kwetta, F . H aghighat / / S ust. C it. a nd S oc. – 2014. – Vol. 10. – P. 87-100.