FANDOM


A fázisváltó anyagokkal ipari és lakossági hőtárolás, passzív klimatizálás céljára már több, mint 100 éve kísérleteznek. (phase change materials: PCM) A hatékony hőszigetelés mellett szinte mindenhol, az élelmiszeriparban, egészségügyben, drága gépkocsikban, az építőiparban és egyre több hétköznapi felhasználásban jelennek meg ezek az anyagok.

Sunset-white

A hőtárolás és hővisszaverés váltása lényeges a passzív temperálásnál.

Az épületeknél leginkább olyan építőanyagok előállításával kísérleteznek, amelyek külön gépészet (hőcserélő) nélkül képesek a belső klímát állandó szinten tartani. Erre a célra például olyan burkolatokat (mint a gipszkarton) és padló paneleket készítenek, amelyekben a mikrokapszulákba zárt aktív anyag halmazállapot-változása szobahőmérsékleten történik. Ezzel alacsony súly mellett azt lehet elérni, mintha a belső hőtároló tömeget jelentősen megnövelnék.


Elméleti háttér Szerkesztés

Fázisváltó anyagokkal szemben támasztott követelmények:

  • a magas fajhő érték (J/gK), - sok energiát tudjon adott súllyal tárolni
  • nagy fajlagos olvadáshő (J/g), - az átalakulás energiaigényes legyen
  • nagy hővezetési tényező (W/mK),

Olvadási hőmérsékleteiket figyelembe véve több csoport különböztethető meg, a tárolt energia felhasználását tekintve:

25 °C alatt hűtési alkalmazásokra, „hideg” energia tárolására,
25 °C felett fűtésre,
90 °C fölött abszorpciós hűtésre,
60–80 °C között Épületek fűtésére, melegvíz-ellátásra
120 °C körüli hőmérséklet technológiai rendszerek (pl. szárítóberendezések) fűtésére
200 °C felett pedig naphőerőművekben használható sóolvadékok.

Látenshő tárolás lehetséges:

  • Szorpciós (elnyeletés) folyamat segítségével, [1]
  • Kémiai energia formájában,
  • Fázisátalakulás segítségével (szilárd-folyadék, szilárd-szilárd, szilárd-gáz, folyadék-gáz)

A referencia anyag a víz, Olvadáshője: (0 °C) 333 kJ/kg Fajhője (14 °C) 4,184 kJ/kgK.

Hagyományos és fázisváltó hőtárolás összehasonlítása Szerkesztés

Minden felhasználáshoz meg kell találni a megfelelő anyagot. A fűtőeszközökhöz kapcsolt tároló estén a fűtési és meleg víz készítő rendszerekben legkézenfekvőbb olyan anyagot alkalmazni, aminek valamivel a felhasználási hőmérséklet fölött van a kritikus pontja. A paraffin 60 Celsius olvadáspontja ilyen.

Akkor nézzük mi történik egy hőtárolóval amikor egy kazán szobahőmérsékletről el kezdi melegíteni.

Az első esetben vegyünk egy vizes tárolót: A kazán által termelt hő arra fordítódik, hogy a vizet felmelegítse. A hőmérséklet emelkedésével együtt nő a víz energiája, és csökken a kazán energiája, az energia egy része pedig a környezetet melegíti.

Ha a vizes tároló helyett egy ugyanakkora tömegű betontömböt, vagy egy vastömböt használnánk hőtárolónak, az se raktározna el több hőt, mint a víz, mert alacsonyabb a fajhője. Ugyanakkora tömeg esetén a víz 10-szer annyi hőt képes elraktározni, mint a vas, vagy 5-ször annyit, mint a beton és négyszer annyit, mint a só.

A vízzel megegyező térfogatú, de hétszer nehezebb vastömb 30%-al kevesebb hőt képes tárolni 0 és 100C fok között. (Egy betontömb és konyhasósó-tartó is csak fele akkora teljesítményre képes, mint a víz.) Ebből láthatod, hogy a víz hőtárolás szempontjából sem egy rossz anyag.

Most nézzük a fázisváltó tárolót: A kazán által termelt hő arra fordítódik, hogy a sót felmelegítse, egy része pedig itt is elveszik.

1. A hőmérséklet gyors emelkedésével lassan nő a só energiája, mert a fajhő alacsony.
2. Amikor a só hőmérséklete eléri az olvadáspontot, akkor egy ideig a hőmérséklete nem változik, csak a halmazállapota. Az energia az olvasztásra fordítódik.
3. Ha elolvad az összes só, akkor újra emelkedni kezd a hőmérséklete.

Lényeges: Az 1. és 3. fázisban a víz jobban teljesít. Hiába képes ez a fázisváltó anyag a 2. fázisban (olvadás idején) több hőt eltárolni, mint az 1. és 3. fázisban összesen, az eltárolt hőmennyiség mégsem több, mint a vizes tároló esetén.

A kérdésre a válasz itt van: A fűtőrendszerbe betáplált energia gyorsan felmelegíti az olvadáspontra a fázisváltó anyagot, azután dolgozik hogy biztosítsa az olvadáshoz szükséges energiát, majd felmelegíti a tárolót a csúcshőmérsékletre és azután a kazán hőmérsékletét emeli, ami szétsugárzódik a környezetbe. Mivel ez utóbbi veszteséget okoz, ráadásul ilyenkor nincs ami hűtse a kazánt, a tárolót úgy kell méretezni hogy ne tudjon telítődni. Vagyis túl kell méretezni, vagy egyéb védelemről kell gondoskodni.

Fázisváltó hőtárolásra alkalmas anyagok Szerkesztés

Glauber-sóSzerkesztés

Vizes oldata viszonylag alacsony értéken (32,4 °C-on) magas olvadáshőt mutat: a sókristályok oldhatósága 0 és 32,4 °C között több mint tízszeresére növekszik, és innentől az oldékonyság mértéke a hőmérséklettől majdnem teljesen független marad. Fajhője a hőmérséklet függvényében változó, olvadáshője magas, 242 kJ/kg, ami PCM-ként (fázisváltó hőtárolás) való alkalmazás szempontjából nagyon előnyös. A megolvadt vegyület - a hőveszteség miatt - kültéren elhelyezve akár 10 napig is képes tárolni az elnyelt napenergiát, majd a hőmérséklet hűlésének következtében visszakristályosodva adja le újra a felvett hőt. A dermedéskor ily módon felszabaduló fázisátalakulási hő 82-szer nagyobb a víz olvadáshőjénél.

A bostoni MIT Egyetem 6 kísérleti lakóházat épített ezzel a rendszerrel a 1938–1988 közötti programjában Solar Energy Research Project. Az épületek oldalára és tetejére felszerelt glaubersó-vegyület tárolói, valamint az azzal összekötött, a lakószobákat behálózó csővezetékek lég- és vízkeringető rendszere jelentette a házak fűtési rendszerét. A kiépített fűtő rendszer legnagyobb előnye a felhasznált glaubersó-vegyület gyakori előfordulása miatt annak olcsósága, a viszonylag nagy hő leadásához szükséges relatív kis mennyisége, valamint a rendszer „önmagát újrahasznosító jellege” volt.

Glauber-só keverék

Vannak azonban közvetlen alkalmazhatóságát kedvezőtlenül befolyásoló tulajdonságai: hajlamos a túlhűlésre, nem jó hővezető, nagyobb mennyiségben nehéz az anyag homogenitását biztosítani.

Az említett negatív tulajdonságokat keverék előállításával javították. Az adagolt konyhasó az olvadáspont temperáláshoz alkalmas hőmérséklet-tartományba csökkentéséhez vezetett (22-25 oC), a bórax pedig az olvadáspont stabilizálásában, az olvadás-megszilárdulás hiszterézise csökkentésében mutatkozott hatékonynak.

A keverék gyakorlati alkalmazása szempontjából lényeges az egyenletesség fenntartása, mert mikor megolvad, egyúttal szétválik. Ezt kisebb méretű, szeparált adagokba csomagolással próbálták megoldani. Szívószálba csomagolást illetve zacskó-kapszulákba adagolást alkalmaztak.

Paraffin viasz Szerkesztés

A paraffin viasz (köznapi nevén paraffin) tiszta formában fehér, szagtalan, viaszos tapintású, szilárd anyagot alkot. Olvadáspontja a benne található molekulák átlagos hosszától függően 47–64 °C, sűrűsége 0,9 g/cm³.[2] Vízben nem oldékony, de szerves oldószerekben (éterben, benzolban, és néhány észterben) könnyen oldható. A legtöbb vegyülettel nem lép reakcióba, viszont könnyen éghető anyag.

A paraffin viasz nagyon jó hőtároló képességekkel rendelkezik: fajlagos hőkapacitása 2,14–2.9 kJ/kgK olvadáshője pedig 200–220 kJ/kg. Ezen tulajdonságai miatt néhány speciális esetben gipszkartonok öntése során a gipszhez adagolják. A gipszben lévő paraffin a beépítést követően a nappali időszakban hőt vesz fel, majd éjszaka visszasugározza azt. A viasz olvadáskor nagy mértékben kitágul, ezért termosztátokban is alkalmazzák.

A folyékony paraffin a kőolaj-finomítás melléktermékeként, nehéz alkánokból hátramaradt keverék. Átlagos sűrűsége 0,8 g/cm³. Az élelmiszeriparban alkalmazzák E 905 - Mikrokristályos viasz néven.

Magyar példák Szerkesztés

Források Szerkesztés

Community content is available under CC-BY-SA unless otherwise noted.