Materiały zmiennofazowe i ich wykorzystanie w cieczach roboczych układów wymiany ciepła

Opis

Monografia zawiera przegląd aktualnego stanu wiedzy na temat materiałów zmiennofazowych (PCM) ze szczególnym uwzględnieniem wykorzystania mikro- i nanokapsułkowanych materiałów zmiennofazowych (mPCM/nPCM) jako dodatku do płynów stosowanych w układach wymiany ciepła. W pierwszych pięciu rozdziałach przedstawiono zarys metod stosowanych do magazynowania różnych form energii, sposoby magazynowania energii cieplnej z wykorzystaniem tzw. ciepła „jawnego” oraz ciepła przemiany fazowej, tzw. ciepła „utajonego”. Dokonano podziału materiałów zmiennofazowych przybliżając ich własności fizyczne, wady i zalety. Opisano zarówno związki organiczne, nieorganiczne oraz ich mieszaniny eutektyczne. Przybliżono praktyczne możliwości wykorzystania PCM w przemyśle elektrycznym, spożywczym, tekstylnym, energetyce słonecznej, budownictwie i technologii kosmicznej. W kolejnych sześciu rozdziałach przedstawiono informacje nt. kapsułkowania PCM, w tym mikro- i nanokapsułkowania oraz możliwości tworzenia i wykorzystania zawiesin mPCM/ PCM, jako cieczy roboczej krążącej w układach wymiany ciepła. Skupiono się na praktycznych aspektach wykorzystania zawiesiny mPCM/nPCM w układach cieczowych kolektorów słonecznych, systemach chłodzenia elektroniki, chłodzenia paneli fotowoltaicznych. Przedstawiono aktualny stan wiedzy odnośnie badań podstawowych, w tym uzyskiwanych wartości średniego lub lokalnego współczynnika przejmowania ciepła, współczynnika strat liniowych w funkcji stężenia masowego mPCM w zawiesinie, liczby Reynoldsa, itp. Przedstawiono znane sposoby wyznaczania tych wielkości na drodze eksperymentalnej, proponowane zależności teoretyczne oraz empiryczne, w tym umożliwiające ocenę efektywności wykorzystania zawiesiny mPCM/nPCM jako cieczy roboczej w układach wymiany ciepła. W zakończeniu przedstawiono wnioski i propozycję kierunków dalszych badań eksperymentalnych oraz rozważań teoretycznych zmierzających do poszerzenia i usystematyzowania wiedzy na temat możliwości intensyfikacji transferu energii cieplnej w płynach (zawiesinach) zawierających mikro i nanokapsułkowany PCM. Monografię uzupełniono wykazem 254 pozycji literatury wykorzystanej przez autora w trakcie przygotowania niniejszego opracowania.

Spis treści

Wykaz oznaczeń / 9

1. Wstęp / 13

2. Magazynowanie energii / 15
2.1. Chemiczny magazyn energii cieplnej i elektrycznej / 15
2.1.1. Termochemiczny magazyn energii cieplnej / 15
2.1.2. Elektrochemiczny magazyn energii elektrycznej / 16
2.2. Magazynowanie energii kinetycznej / 16
2.3. Magazynowanie energii sprężonego powietrza / 17
2.4. Magazynowanie energii skroplonego powietrza / 17
2.5. Magazynowanie wodoru / 18
2.6. Magazynowanie energii magnetycznej / 19
2.7. Hydroenergetyczne systemy magazynowania energii / 19
2.8. Magazynowanie energii cieplnej / 19

3. Magazynowanie energii cieplnej w materiałach zmiennofazowych / 23
3.1. Wymagania stawiane materiałom zmiennofazowym / 23
3.2. Podział materiałów zmiennofazowych / 25
3.3. Organiczne materiały zmiennofazowe / 29
3.3.1. Parafina / 30
3.3.2. Kwasy tłuszczowe / 33
3.4. Nieorganiczne materiały zmiennofazowe / 36
3.4.1. Metale / 37
3.4.2. Uwodnione sole (hydraty soli) / 38
3.4.3. Sól / 40
3.5. Eutektyczne materiały zmiennofazowe / 42

4. Obszary stosowania PCM / 49
4.1. PCM w przemyśle elektronicznym / 49
4.2. PCM w przemyśle spożywczym / 50
4.3. PCM w przemyśle tekstylnym / 50
4.4. PCM w energetyce słonecznej / 51
4.4.1. Magazynowanie energii promieniowania słonecznego / 52
4.4.2. PCM jako materiał do bezpośredniej absorpcji promieniowania słonecznego / 52
4.4.3. PCM w panelach PV/T / 54
4.4.4. Odsalanie wody morskiej / 55
4.5. PCM w budownictwie / 56
4.5.1. PCM w przegrodach budowlanych / 57
4.5.2. PCM jako dodatek do materiałów budowlanych / 59
4.5.3. PCM w systemach wentylacji i klimatyzacji / 62
4.5.4. Chłodzenie budynków – „free cooling” / 63
4.6. PCM w technologii kosmicznej / 63

5. Poprawa przewodności cieplnej PCM / 65
5.1. Kompozyt PCM / 67
5.2. Zwiększenie powierzchni wymiany ciepła / 72
5.2.1. Rozwinięcie powierzchni kontaktu z PCM / 72
5.2.2. Kapsułkowanie PCM / 74

6. Mikro- i nanokapsułkowanie PCM / 81
6.1. Materiały stosowane na powłoki / 81
6.2. Metody mikro- i nanokapsułkowania PCM / 82
6.2.1. Chemiczne metody mikrokapsułkowania PCM / 84
6.2.2. Fizyczne metody mikrokapsułkowania PCM / 87
6.2.3. Fizyko-chemiczne metody mikrokapsułkowania PCM / 88

7. PCM jako dodatek do cieczy roboczej / 91
7.1. Zawiesina lodowa / 92
7.2. Emulsja PCM / 95
7.3. Zawiesina klatratu hydratu / 98
7.4. Zawiesina PCM o stabilizowanym kształcie / 99
7.5. Zawiesina mikro- i nanokapsułkowanego PCM / 99

8. Wybrane własności nano- i mikrokapsułkowanego PCM oraz metody ich wyznaczania / 101
8.1. Analiza termiczna zawiesin mPCM / 102
8.1.1. Temperatura i entalpia przemiany fazowej mPCM – metoda DSC / 102
8.1.2. Temperatura przemiany fazowej mPCM – metoda DTA / 109
8.1.3. Temperatura i entalpia przemiany fazowej mPCM – metody kalorymetryczne / 111
8.1.4. Stabilność cieplna mPCM – metoda TGA / 118
8.1.5. Przewodność cieplna mPCM / 120
8.2. Analiza chemiczna zawiesin mPCM / 128
8.2.1. Struktura chemiczna powłoki mPCM – metoda XRD / 128
8.2.2. Skład chemiczny mPCM – metoda FT-IR / 129
8.2.3. Skład chemiczny mPCM – metoda EDS / 130
8.2.4. Skład chemiczny mPCM – metoda xps / 131
8.3. Analiza fizyczna zawiesin mPCM / 132
8.3.1. Morfologia mPCM – metoda OM / 132
8.3.2. Morfologia mPCM – metoda SEM / 133
8.3.3. Morfologia mPCM – metoda TEM / 134
8.3.4. Morfologia mPCM – metoda AFM / 135
8.3.5. Morfologia mPCM – metoda WAXS, SAXS / 136
8.3.6. Rozkład wielkości cząstek / 137

9. Termodynamiczne aspekty przepływu zawiesiny mPCM w układach wymiany ciepła / 139

10. Hydrodynamiczne aspekty przepływu zawiesiny mPCM w układach wymiany ciepła / 151
10.1. Gęstość zawiesiny mPCM / 151
10.2. Lepkość zawiesiny mPCM / 158
10.3. Opory przepływu zawiesiny / 169
10.4. Współczynnik strat liniowych / 184

11. Ocena efektywności wykorzystania zawiesiny mPCM w układach wymiany ciepła / 195

12. Podsumowanie i wnioski / 205

Bibliografia / 209
Streszczenie / 232
Abstract / 233

Informacje o bezpieczeństwie produktu Informacje o producencie