Nghiên c#u vBt li,u chuyQn pha [15 24]

Một phần của tài liệu phân tích nhiệt ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu (Trang 173 - 191)

NG D NG PHÂN TÍCH NHI T TRONG NGHIÊN

III.7. Nghiên c#u vBt li,u chuyQn pha [15 24]

III.7.1. V t li u chuyBn pha trDnhi t

Con ngư�i s� d�ng nh�ng d�ng n�ng lư�ng khác nhau, trong �ó n�ng lư�ng dư�i d�ng nhi�t hay còn g�i là nhi�t n�ng chi�m m�t t�

l� �áng k�. Nhi�t n�u�n là ph�n thi�t y�u cho cu�c s�ng con ngư�i t�ngàn ��i nay, nhi�t sư�i �m mùa �ông, nh�t là �x�l�nh, nhi�t phơi s�y nông, ngư s�n, nhi�t dùng trong công ngh� luy�n kim, trong ch� bi�n nông s�n, nhi�t �i�n sinh ra �i�n n�ng trong nhà máy �i�n, sinh ra công trong các ��ng cơ hơi nư�c. Con ngư�i dùng nhi�t cho r�t nhi�u m�c�ích. Ngu�n nhi�t sơc�p ch� y�u là t�b�c x� m�t tr�i và các ngu�n nhiên li�u t�nhiên nhưd�u m�, than, c�i. M�t lư�ng nh�nhi�t n�ng có ngu�n g�c��a nhi�t.

M�t trong nh�ng th�c t� n�y sinh khi khai thác, s� d�ng nhi�t n�ng là không ph�i lúc nào c�ng có s� ��ng b� gi�a ngu�n c�p nhi�t và nhu c�u s� d�ng. Nhi�u khi, nhi�u nơi, nhi�t dư th�a so v�i nhu c�u trong khi nơi khác, th�i �i�m khác nhi�t l�i không��

�áp �ng. Chính vì v�y�ã n�y sinh nhu c�u tích tr�nhi�t n�ng khi nào, nơi nào dư th�a �� dùng khi nào c�n. Ch�ng h�n, ban ngày, mùa hè tích tr� nhi�t n�ng t� b�c x� m�t tr�i (n�ng) �� s� d�ng vào ban �êm hay vào mùa �ông; Tích tr�nhi�t th�i c�a các ngu�n nhi�t th�i công nghi�p�� dùng cho các nhu c�u sinh ho�t nhưs�y, sư�i, �un nư�c. H� th�ng lò sư�i b�ng nư�c � các thành ph� x�

l�nh c�ng là m�t hình th�c tích tr�nhi�t. Nhi�t�ư�c tr�vào nư�c

nh�h� th�ng �un �nhà máy �� chuy�n t�i sư�i �m các gia �ình, c�n h�trong thành ph�qua h�th�ng �ng d�n nư�c sư�i.

Trên th�c t�có 3 gi�i pháp chính ��tr�nhi�t là:

- Tr� nhi�t dư�i d�ng nhi�t dung. Các h� th�ng sư�i b�ng nư�c nóng nêu trên là m�t ví d�.

- Tr� nhi�t dư�i d�ng nhi�t hoá h�c, d�a trên hi�n tư�ng thu to� nhi�t c�a các ph�n�ng hoá h�c. Các ph�n�ng hoá h�c �ư�c l�a ch�n cho m�c �ích này ph�i có tính thu�n ngh�ch �� vi�c phóng n�p nhi�t có th� l�p �i l�p l�i. D�ng tr�nhi�t này ít thông d�ng.

- Tr� nhi�t dư�i d�ng nhi�t chuy�n pha, d�a trên hi�n tư�ng thu–to� nhi�t khi v�t chuy�n t� tr�ng thái pha này sang tr�ng thái pha khác.

Ph�n này s� ch� ��c�p t�i gi�i pháp cu�i cùng – Gi�i pháp tr�

nhi�t b�ng v�t li�u chuy�n pha (Phase Change Material – PCM).

��c�i�m c�a gi�i pháp tr� nhi�t b�ng PCM là nhi�t �ư�c tích tr� và gi�i phóng dư�i d�ng nhi�t chuy�n pha (laten heat, còn g�i là �n nhi�t) thông qua quá trình chuy�n pha thu�n ngh�ch c�a v�t li�u. �ây là quá trình ��ng nhi�t, do v�y nhi�t �� PCM h�u như không ��i trong su�t quá trình. Nhi�t n�ng v�t li�u nh�n hay gi�i phóng không làm thay ��i nhi�t �� c�a nó mà �ư�c dùng �� thay

��i tr�ng thái t�n t�i pha. Nh� v�y, nhi�t �� PCM khi tích ��y nhi�t không cao và ngư�c l�i khi PCM phóng h�t nhi�t, nhi�t ��

c�a nó gi�m không �áng k�. ��c �i�m này r�t thích h�p cho các

�ng d�ng PCM �� �n ��nh nhi�t. Ngoài ra, khi s� d�ng PCM ��

tr�nhi�t s� ��chi phí b�o ôn do nhi�t��không t�ng cao khi PCM tr� ��y nhi�t, gi�m m�t mát nhi�t, d�thi�t k�thi�t b�tr�nhi�t.

M�c dù v�nguyên t�c, b�t k�d�ng chuy�n pha nào gi�a 3 tr�ng thái pha r�n–l�ng–khí ��u có th� s� d�ng cho m�c �ích tr�nhi�t, nhưng trên th�c t�thư�ng ch� �ng d�ng chuy�n pha r�n l�ng. M�t s�không nhi�u v�t li�u chuy�n pha g�c polyme c�ng�ư�c nghiên c�u s� d�ng như PCM d�a trên chuy�n pha r�n–r�n. Chuy�n pha l�ng–khí ít �ư�c áp d�ng ch� y�u do hi�n tư�ng giãn n�nhi�t cao, gây khó kh�n khi thi�t k�thi�t b�tr�nhi�t.

Hi�n tư�ng chuy�n pha kèm theo h�p th�–gi�i phóng nhi�t khi chuy�n pha là thu�c tính chung c�a m�i v�t li�u khi thay ��i nhi�t��.

Dù v�y, ngư�i ta ch�quan tâm các v�t li�u�áp �ng �ư�c nh�ng yêu c�u nh�t��nh v�m�t nhi�t và kh�thi cho các �ng d�ng nhi�t.

Nh�ng v�t li�u tho� mãn nh�ng tiêu chí trên �ư�c phân lo�i thành 4 nhóm chính là:

- Nhóm muCi vô c-: Nhi�t chuy�n pha cao, d�n nhi�t t�t, thư�ng b� hi�n tư�ng siêu l�nh (supercooling), d� b� phân hu�theo s�chu k�phóng n�p nhi�t.

- Nhóm paraphin: Nhi�t chuy�n pha tương ��i cao, d�n nhi�t kém, b�n theo chu k�phóng n�p.

- Nhóm axít béo và các ch.t hXu c-khác: Các tính ch�t g�n tương t�nhưnhóm paraphin nhưng kém b�n hơn.

- Nhóm các h=p ch.t Eutecti: D�b�thay ��i thành ph�n theo th�i gian và chu k�phóng n�p nhi�t, giá thành cao, thi�t b�

tr�nhi�t ph�c t�p.

�� �ng d�ng PCM cho các �ng d�ng tr�nhi�t th�c t�, PCM c�n

�áp �ng các yêu c�u ch�y�u sau:

- Có nhi�t lư�ng chuy�n pha cao,

- Có vùng nhi�t �� chuy�n pha tương �ng v�i vùng ��nh hư�ng�ng d�ng,

- Chuy�n pha thu�n ngh�ch, b�n theo th�i gian và theo s�chu k�phóng n�p nhi�t,

- D�n nhi�t t�t,

- H�s�giãn n�nhi�t th�p, - Không ��c h�i,

- Giá thành th�p.

Trong các thông s�k�trên, hai thông s�nhi�t lư�ng chuy�n pha và nhi�t �� chuy�n pha �ư�c xem là quan tr�ng nh�t. Vi�c l�a ch�n c�ng nhưcác nghiên c�u nh�m c�i thi�n ��c trưng nhi�t c�a v�t li�u chuy�n pha tr�nhi�t ch�y�u t�p trung vào 2 thông s�này.

Danh sách 42 PCM có nhi�t��chuy�n pha n�m trong vùng t�0 t�i 120oC, là vùng nhi�t �� tương �ng v�i các �ng d�ng th�c t�

tương ��i thông d�ng, �ư�c cho trên b�ng 3.1. Nhi�t lư�ng chuy�n pha c�a các PCM n�m trong kho�ng t� 100 t�i 340kJ/kg. Các PCM �ư�c phân chia theo b�n ch�t hoá h�c c�a v�t li�u, thành 4 nhóm là:

- Paraphin,

- Các h�p ch�t h�u cơkhác, - Các h�p ch�t vô cơ,

- Các h�p ch�t Eutecti.

D�li�u v�nhi�t lư�ng và nhi�t��chuy�n pha c�a 42 lo�i PCM nêu trên b�ng 3.12 và �ư�c cho trên hình 3.23.

B�ng 3.12: Danh sách 42 PCM thông d�ng.

TT PCM TT PCM

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Các Paraphin Paraphin 5913 Paraphin 6106 Paraphin 5838 Paraphin 6035 Paraphin 6403 Paraphin 6499 Octadecane Các ch�t H�u C�

Caprilic Acid Polyglycol E600 Capric Acid Lauric Acid Myristic Acid Polyglycol E6000 Loxiol G32 Palmitic Acid Stearic Acid Biphenyl Propionamide Napthalene Acetamide Các ch�t Vô c�

Nư�c (H2O) LiClO3.3H2O

23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42

NaOH.1,5H2O KF.4H2O LiNO3.3H2O CaCl2.6H2O Na2SO4.10H2O Na2CO3.10H2O Na2HPO4.12H2O Zn(NO3)2.6H2O CaBr2.6H2O KF.2H2O Na2S2O3.5H2O Ni(NO3)2.6H2O NaCH3COO.3H2O NaOH.H2O Ba(OH)2.8H2O Mg(NO3)2.6H2O MgCl2.6H2O Các ch�t Eutecti Propionamide/

Palmitic Acid Mg(NO3)2.6H2O/

MgCl2.6H2O LiNO3/NH4NO3/ NH4Cl

�� l�a ch�n PCM cho m�t �ng d�ng c� th�, thông s� c�n l�a ch�n trư�c nh�t là vùng nhi�t��làm vi�c, t� �ó tìm PCM có �i�m nóng ch�y thích h�p v�i vùng nhi�t �� �ã ch�n.�i�u này ��c bi�t quan tr�ng ��i v�i các �ng d�ng PCM cho m�c�ích �n��nh nhi�t.

��c trưng quan tr�ng th�hai là nhi�t lư�ng chuy�n pha, �ư�c ch�n sao cho càng cao càng t�t.

Hình 3.23: Nhi�t lư�ng và nhi�t�� chuy�n pha c�a 42 PCM thông d�ng, theo s�th�t�trên b�ng 3.11.

Theo d� li�u trên b�ng 3.12 và hình 3.23, n�u c�n ch�n PCM cho các �ng d�ng tr� nhi�t trong vùng nhi�t �� lân c�n nhi�t ��

môi trư�ng thông thư�ng (30oC) thì 5 lo�i PCM tho� mãn �i�u ki�n v�nhi�t��và có nhi�t lư�ng chuy�n pha cao là:

- S�7 (Octadecane), - S�27: (Na2SO4.10H2O), - S�28 (Na2CO3.10H2O), - S�29 (Na2HPO4.12H2O), - S�25 (LiNO3.3H2O).

Các PCM v�i s� th� t� 26, 10 và 30 c�ng có nhi�t �� chuy�n pha lân c�n 30oC, nhưng có nhi�t chuy�n pha th�p hơn 200kJ/kg.

��i v�i các �ng d�ng liên quan t�i n�ng lư�ng b�c x�m�t tr�i, vùng nhi�t �� làm vi�c c�a PCM thư�ng n�m trong kho�ng 50 70oC. D� li�u trên hình 3.23 cho th�y có khá nhi�u PCM tho�

mãn �i�u ki�n này, nhưng ph�n l�n��u có nhi�t lư�ng chuy�n pha

không cao, ch� ��t x�p x�200kJ/kg, tr�NaOH.2H2O, s�th�t�36,

��t trên 250kJ/kg.

Trong s�42 PCM k�trên, nư�c v�i s�th�t�21, có nhi�t lư�ng chuy�n pha cao nh�t trong b�ng, nhưng ch�thích h�p cho các �ng d�ng quanh nhi�t��k�t tinh: 0oC.

M�t thông s� nhi�t khác c�ng c�n�ư�c quan tâm khi l�a ch�n PCM cho các �ng d�ng c� th�, �ó là kh� n�ng d�n nhi�t c�a chúng. Trong ph�n l�n các �ng d�ng PCM tr� nhi�t, nhi�t ph�i

�ư�c trao ��i gi�a PCM v�i ngu�n c�p–thu nhi�t qua các môi trư�ng truy�n nhi�t, như kim lo�i, nh�a, nư�c. Chính vì v�y yêu c�u �� d�n nhi�t cao c�ng thư�ng�ư�c��t ra khi l�a ch�n PCM.

Do �ó các nghiên c�u nh�m t�ng ��d�n nhi�t, trong �ó có các gi�i pháp bao gói PCM, c�ng �óng vai trò quy�t ��nh trong các �ng d�ng th�c t�và�ư�c quan tâm nhi�u.

Các phân tích t�ng quan nêu trên v� PCM cho th�y, ��i v�i PCM, các thông s�nhi�t�óng vai trò r�t quan tr�ng. Chính vì v�y, các nghiên c�u PCM không th� thi�u phân tích nhi�t. Các �ng d�ng c�a phân tích nhi�t trong nghiên c�u PCM thư�ng hư�ng t�i 2 m�c�ích chính là:

- �ánh giá các thông s� nhi�t quan tr�ng c�a PCM, bao g�m các thông s�nhi�t lư�ng và nhi�t��chuy�n pha, ��giãn n�

nhi�t, ��quá l�nh;

- Kh�o sát hành vi nhi�t (��ng h�c) c�a PCM nói riêng, h�

tr� nhi�t dùng PCM nói chung, trong quá trình n�p và gi�i phóng nhi�t.

�� th�c hi�n 2 ch�c n�ng trên, nhi�u phép �o phân tích nhi�t

�ư�c ti�n hành trên các thi�t b� phân tích nhi�t thông thư�ng, như DSC, DTA, TGA, TMA, nhưng có nhi�u phép �o, nh�t là các phép

�o ��ng h�c, �ư�c ti�n hành nh�b� trí tr�c ti�p các sensor nhi�t, sensor kh�i lư�ng ngay trên thi�t b� có �ng d�ng PCM ho�c ph�i t� ch� t�o các d�ng thi�t b� phân tích, ho�t ��ng theo nguyên lý phân tích nhi�t, nhưDTA, DSC.

Trong ph�n này c�a chuyên kh�o s�gi�i thi�u tóm t�t các �ng d�ng phân tích nhi�t trong nghiên c�u PCM, bao g�m�ánh giá các thông s� v�t li�u, thông s� quá trình trao ��i nhi�t và m�t �ng d�ng c�th�c�a PCM ��s�d�ng n�ng lư�ng m�t tr�i.

III.7.2.Th*c nghi m

- Thi�t b�: DSC 50, DTA 50H, TGA 50H;

Thi�t b� �o nhi�t liên t�c (online) �a kênh t�

ch�t�o.

- M�u: PCM g�c paraphin, PCM g�c hydrat.

Có th�chia các thí nghi�m phân tích nhi�t�ã ti�n hành thành 2 nhóm, theo b�n ch�t c�a bài toán phân tích nhi�t:

- Xác ��nh tr�c ti�p các thông s� nhi�t cơ b�n trên thi�t b�

phân tích nhi�t thông d�ng.

- Xác ��nh các thông s� quá trình b�ng phương pháp ��ng h�c b�t��ng nhi�t.

K�t qu�và th�o lu�n III.7.3. K,t qu-và th-o lu n

III.7.3.1. Xác "@nh các "Zc tr,ng nhi&t c-bDn c a PCM

a. Xác "@nh nhi&t l,=ng chuyOn pha: DSC là công c� thích h�p, không th� thi�u�� �ánh giá nhi�t chuy�n pha. Trên gi�n �� DSC, nhi�t chuy�n pha chính là di�n tích bao b�i gi�n��DSC và �ư�ng n�n (baseline). Nói chung, sai s�c�a giá tr� H xác ��nh b�ng phân tích nhi�t là tương ��i l�n, có th�t�i 10%, nh�t là khi xác ��nh t�

d� li�u DTA. M�t trong nh�ng nguyên nhân c�a sai s� nói trên chính là do cách xác ��nh �ư�ng n�n, xác ��nh�i�m b�t��u và k�t thúc quá trình, nh�t là khi trên gi�n �� có s� ch�ng ch�p các quá trình khác d�u nhau.

Hình 3.24 là ví d� xác ��nh H t� d� li�u DSC c�a PCM g�c paraphin. M�c dù giá tr�nhi�t chuy�n pha xác ��nh t�gi�n��DSC có th�thay ��i�áng k�tu�thu�c cách ch�n�ư�ng n�n, ch�n�i�m xu�t phát và k�t thúc quá trình, nhưng v�phương di�n k�thu�t thì

�i�u này không th�t quan tr�ng ��i v�i các nghiên c�u �ng d�ng PCM và tính toán thi�t b� tr� nhi�t PCM, là các tính toán mang tính k�thu�t, có th�ch�p nh�n dung sai l�n.

��i v�i các PCM có vùng nhi�t chuy�n pha r�ng, chúng ta không nh�ng c�n xác ��nh nhi�t chuy�n pha toàn ph�n mà còn c�n

xác ��nh nhi�t chuy�n pha riêng ph�n cho t�ng d�i nhi�t ��. K�t qu�xác ��nh H riêng ph�n t�d�li�u DSC ��i v�i m�u PCM g�c paraphin �ư�c cho trên hình 3.24 và b�ng 3.13. Nhi�t chuy�n pha

�ư�c xác ��nh cho t�ng kho�ng 5oC và tính thành ph�n tr�m (%) so v�i nhi�t chuy�n pha toàn ph�n. Cu�i gi�n��có hi�u�ng nhi�t c�a quá trình nóng ch�y In, dùng làm chu�n. Nhi�t lư�ng �ư�c phân tích theo vùng nhi�t��, t�ng kho�ng 5oC, ��ti�n tính toán.

Hình 3.24: Xác ��nh nhi�t chuy�n pha t�d�li�u DSC, m�u PCM paraphin VC52.

B�ng 3.13: Giá tr� H xác ��nh t�d�li�u DSC.

D�i nhi�t�� (oC) H (J/g) H (%) 30 35

35 40 40 45 45 50 50 55 55 60

9,65 27,80 38,58 66,48 155,02 171,02

5,64 16,25 22,56 38,87 90,64 100

b. Xác "@nh nhi&t "# chuyOn pha: Thông thư�ng, giá tr� Tp, tương

�ng v�i c�c tr� trên gi�n �� nhi�t DTA ho�c DSC, �ư�c xem là nhi�t �� chuy�n pha, m�c dù xét theo nguyên lý hình thành tín

hi�u phân tích nhi�t (xem m�c II.4, II.5) thì �i�u�ó không th�t s�

chính xác. Riêng ��i v�i PCM, nh�t là các PCM h�p ch�t và các PCM ngu�n g�c t� nhiên, quá trình chuy�n pha thư�ng x�y ra trong m�t d�i nhi�t��khá r�ng, có th�t�i vài ch�c��. Vì v�y xác

��nh nhi�t �� chuy�n pha theo Tp th�t s� ch� mang ý ngh�a tương

��i. Ví d�: theo d� li�u DSC m�u PCM g�c paraphin trên hình 3.24, m�c dù TP=52oC, nhưng quá trình chuy�n pha th�c s�di�n ra trong m�t d�i nhi�t��khá r�ng, t�35oC��n 65oC.

c. Xác "@nh h& sC giãn n[ nhi&t: M�c dù h� s� giãn n� nhi�t khi chuy�n pha r�n–l�ng không l�n như trong chuy�n pha l�ng–khí, nhưng nó l�i có vai trò r�t quan tr�ng trong tính toán, thi�t k�thi�t b�tr�nhi�t b�ng PCM.

K� thu�t phân tích nhi�t thích h�p �� xác ��nh chính xác và nghiên c�u sâu hi�n tư�ng giãn n�nhi�t khi qua �i�m chuy�n pha là k�thu�t phân tích cơnhi�t (TMA). Gi�n�� TMA không nh�ng cung c�p thông tin v�s� ph�thu�c kích thư�c, th�tích theo nhi�t

�� mà còn có th�cho bi�t s�ph�thu�c kích thư�c, th�tích vào áp su�t và ngo�i l�c là các thông s� k� thu�t quan tr�ng trong �ng d�ng PCM. Dù v�y, vì m�t trong 2 tr�ng thái pha là tr�ng thái l�ng nên vi�c �o kích thư�c dài khó th�c hi�n, còn �o tr�c ti�p h� s�

giãn n�kh�i l�i�òi h�i ph�i thi�t k�bình ch�a m�u d�ng ��c bi�t, tương ��i ph�c t�p. M�t khác, trong các �ng d�ng th�c t�, chúng ta ch� c�n quan tâm t�i h� s� giãn n� kh�i trong m�t d�i nhi�t ��

quanh nhi�t �� chuy�n pha nên có th� th�c hi�n phép �o TMA b�ng cách �ơn gi�n nh� �ng thu�tinh ch�u nhi�t��nh m�c và nhi�t k�thu�ngân ho�c nhi�t k� �i�n t�thông thư�ng.

�� th�c hi�n xác ��nh h�s�giãn n�theo phương pháp �ơn gi�n nói trên, PCM �ư�c ��ng vào �ng thu� tinh có chia v�ch ��nh m�c. Tu� theo nhi�t nóng ch�y c�a PCM là th�p hay cao mà c�p nhi�t b�ng nư�c sôi hay khí nóng �� PCM nóng ch�y. Th�c hi�n liên ti�p sau �ó các chu k�nóng l�nh n�i ti�p nhau ��PCM nóng ch�y và hoá r�n. H� s�giãn n�kh�i�ư�c tính thông qua v�ch ch�

m�c trên �ng thu�tinh. C�n lưu ý �� tránh hi�n tư�ng t�o các l�

r�ng ch�a khí bên trong lòng �ng khi ngu�i quá nhanh hay khi

�ư�ng kính �ng thu�tinh quá nh�.

Trên b�ng 3.14 là giá tr� h�s�giãn n�nhi�t c�a PCM paraphin xác ��nh b�ng phương pháp phân tích nhi�t�ơn gi�n nêu trên. Nói

chung, PCM g�c paraphin thay ��i kho�ng 7% th�tích khi chuy�n pha r�n l�ng.

B�ng 3.14: D�li�u xác ��nh h�s�giãn n�nhi�t c�a PCM paraphin S�chu k� H�s�giãn n�

(%)

S�chu k� H�s�giãn n�(%)

1 7,4 50 7,2

10 6,8 100 7,0

III.7.3.2. Nghiên c!u cDi biAn"Zc tr,ng nhi&t c a PCM

Thông thư�ng, các ch�tiêu k�thu�t c�a PCM, nh�t là các PCM có ngu�n g�c t�nhiên, không phù h�p ngay v�i các yêu c�u k�thu�t cho m�t �ng d�ng th�c t� c� th�. Vì v�y, trong nhi�u trư�ng h�p, vi�c nghiên c�u c�i bi�n PCM ��thích �ng và nâng cao hi�u su�t

�ng d�ng là r�t c�n thi�t và quan tr�ng. Ba hư�ng nghiên c�u c�i bi�n PCM thư�ng�ư�c quan tâm là:

- Thay ��i nhi�t��chuy�n pha,

- Thay ��i��c trưng quá l�nh (supercooling), - Thay ��i��d�n nhi�t.

Dư�i�ây là m�t s�k�t qu� �ng d�ng phân tích nhi�t ��nghiên c�u 2 trong 3 hư�ng c�i bi�n PCM nêu trên.

a. Thay " i nhi&t"#chuyOn pha: Khi l�a ch�n PCM cho m�t�ng d�ng tr�nhi�t c�th�, ta luôn mong mu�n ch�n �ư�c PCM v�i nhi�t�� chuy�n pha n�m trong vùng nhi�t �� �ã ch�n và nhi�t lư�ng chuy�n pha càng cao càng t�t.

��i v�i các PCM g�c paraphin, nhi�t �� chuy�n pha t�ng g�n nhưtuy�n tính theo s�carbon trong m�ch. Do v�y, v�nguyên t�c, có th� thay ��i nhi�t �� chuy�n pha c�a PCM g�c paraphin b�ng cách thay ��i s�lư�ng carbon trong m�ch, thư�ng là b�ng phương pháp cracking. Dù v�y, trong �i�u ki�n th�c t� c�a chúng tôi, gi�i pháp cracking là không kh� thi c� v� phương di�n k� thu�t c�ng nhưhi�u su�t kinh t�. Hai gi�i pháp khác �ã�ư�c th�nghi�m là:

- Tr�n các paraphin có nhi�t��chuy�n pha khác nhau, - Pha các axit béo thích h�p vào paraphin (doping).

Trên b�ng 3.15 là k�t qu�tiêu bi�u c�a vi�c c�i bi�n PCM g�c paraphin (m�u P) b�ng cách thay ��i thành ph�n (m�u Pa, Pb) và b�ng cách b�sung axit béo (m�u Pc).

B�ng 3.15: D�li�u c�i bi�n PCM paraphin b�ng doping M�u Tm(oC) H (J/g)

P 54.04 159.18

Pa 42.70 121.43

Pb 44.60 129.51

Pc 35.50 104.10

K�t qu� nghiên c�u m�t cách tương ��i h� th�ng cho th�y khi pha tr�n các paraphin v�i nhi�t ��chuy�n pha khác nhau ho�c b�

sung các axit béo vào paraphin, nhi�t��chuy�n pha c�a PCM h�n h�p có xu hư�ng gi�m �i, ��ng th�i v�i s� gi�m nhi�t lư�ng chuy�n pha. M�c dù chưa xác ��nh �ư�c quy lu�t ��nh lư�ng c�a nh�ng thay ��i trên, nhưng các k�t qu�này c�ng là cơs� �� ��nh hư�ng bi�n tính PCM nh�m ��t �ư�c nhi�t �� chuy�n pha mong mu�n trong khi s� suy gi�m nhi�t lư�ng chuy�n pha là ch�p nh�n

�ư�c.

b. Thay " i "#quá lFnh: Hi�n tư�ng quá l�nh là r�t �i�n hình ��i v�i các v�t li�u PCM vô cơ, nh�t là các hydrat (xem II.3). Hi�n tư�ng này có vai trò r�t quan tr�ng v�m�t k�thu�t��i v�i các �ng d�ng nhi�t c�a PCM.

��i v�i m�t s� r�t ít �ng d�ng, ngư�i ta mong mu�n có PCM v�i�� quá l�nh l�n. Ví d�PCM s�d�ng trong các túi chư�m y t�

c�n có �� quá l�nh l�n sao cho sau khi �ư�c n�p nhi�t, PCM chuy�n sang th� l�ng, nhưng khi h� nhi�t qua vùng nhi�t�� nóng ch�y, PCM l�nh �i nhưng không k�t tinh tr� l�i mà v�n t�n t�i � tr�ng thái l�ng. Nhi�t �� k�t tinh c�a các PCM s� d�ng làm túi chư�m r�t th�p, thư�ng là dư�i 0oC, trong khi nhi�t �� nóng ch�y l�i cao. �� quá l�nh thư�ng��t c� �T 60oC. Nh�v�y, sau khi n�p nhi�t, ta có th� �� túi chư�m �nhi�t�� phòng mà không s�nhi�t b� gi�i phóng do chuy�n pha t� l�ng sang r�n. Vi�c phóng nhi�t c�a túi chư�m khi mong mu�n�ư�c th�c hi�n m�t cách ch� ��ng b�ng phương pháp kích cư�ng b�c, t�o m�m k�t tinh.

Ngư�c l�i, trong ph�n l�n các �ng d�ng PCM cho tr� nhi�t, nh�t là các �ng d�ng �� �n nhi�t, ngư�i ta mong mu�n có �� quá

nhi�t càng nh� càng t�t, nhi�t �� nóng ch�y x�p x� nhi�t �� k�t tinh, ��khi môi trư�ng ngoài có nhi�t��trên nhi�t��chuy�n pha, PCM s� thu nhi�t, chuy�n sang pha l�ng và khi nhi�t �� h� th�p xu�ng dư�i nhi�t�� chuy�n pha, PCM t� ��ng to�nhi�t tr�l�i môi trư�ng nh�chuy�n pha t�l�ng v�r�n.

Do hi�n tư�ng quá l�nh gây nên hi�n tư�ng tr� nhi�t ��i v�i thi�t b� tr� nhi�t và �n nhi�t nên r�t nhi�u gi�i pháp �ã �ư�c áp d�ng nh�m gi�m t�i �a hi�n tư�ng này, trong �ó có gi�i pháp pha t�p (doping). Cơch�doping �� gi�m hi�n tư�ng quá l�nh m�t m�t liên quan t�i ��ng h�c k�t tinh d� th�, khi các t�p ch�t pha vào

�ư�c xem là các tác nhân t�o m�m k�t tinh, m�t khác l�i liên quan t�i s�tương h�p v�tinh th�h�c gi�a ch�t pha t�p và v�t li�u ch�.

Dư�i �ây trình bày m�t s� k�t qu� nghiên c�u hi�n tư�ng quá l�nh c�a v�t li�u chuy�n pha tr�nhi�t Mg(NO3)2.6H2O khi pha t�p.

- M�u hydrat: Mg(NO3)2.6H2O (PA, Trung Qu�c).

- Ch�t pha t�p: CaSO4.2H2O, CuSO4.5H2O, MgSO4.7H2O, (PA, Trung Qu�c); T�l�pha t�p: 0.1% và 0.5%.

Trên b�ng 3.16 trình bày d� li�u thu �ư�c t� DSC v� �� quá l�nh c�a các m�u PCM Mg(NO3)2.6H2O khi th�c hi�n c�i bi�n b�ng cách pha t�p.

K�t qu� th�c nghi�m pha t�p v�i các ch�t CaSO4.2H2O, CuSO4.5H2O, MgSO4.7H2O, nh�m thay ��i �� quá l�nh c�a m�u Mg(NO3)2.6H2O cho th�y:

- �� quá l�nh T gi�m kho�ng 11 13oC, tu� theo ch�t pha t�p.

- H�u như không có s� khác nhau v� T khi t� l� pha t�p thay ��i trong ph�m vi 0,5% và 1%.

B�ng 3.16: Thay ��i�� quá l�nh ( T=Tm-Tc) b�ng pha t�p No Ch�t pha t�p T� l�

(%)

Tm(oC) Tc(oC) T (oC) 1

2 3 4

Không pha MgSO4.6H2O CuSO4.5H2O CaSO4.2H2O

0 % 0,1 % 0,5 % 0,1 % 0,5 % 0,5 %

90,14 90,81 90,37 89,99 90,56 90,54

71,49 83,14 83,73 83,34 84,97 84,44

18,65 7,67 6,53 6,55 5,59 6,10

III.7. 3.3. Kh-o sát hành vi nhi t c<a PCM

Các thông s� ��ng h�c�óng vai trò quan tr�ng khi tính toán, thi�t k� các h� tr� nhi�t s� d�ng PCM. Vì quá trình chuy�n pha kèm theo quá trình phóng n�p nhi�t c�a các h� tr� nhi�t PCM thư�ng là ��ng nhi�t ho�c g�n ��ng nhi�t nên các d� li�u ��ng h�c ��ng nhi�t s� r�t c�n thi�t �� mô t� hành vi nhi�t c�a PCM trong quá trình ho�t��ng tr�nhi�t.

V�nguyên t�c, có th�ti�n hành các phép �o DSC ��ng nhi�t��

nh�n �ư�c các thông tin g�n hơn v�i bài toán th�c t�. Dù v�y, vì m�c �ích c�a các nghiên c�u ��ng h�c trong trư�ng h�p này là ph�c v�các tính toán k�thu�t không�òi h�i�� chính xác cao, c�

th�là ��tính toán thi�t k� thi�t b�tr�nhi�t, nên chúng tôi �ã ch�n gi�i pháp ��ng h�c b�t ��ng nhi�t DSC, v�a �ơn gi�n, v�a ti�t ki�m th�i gian (xem m�c III.2.2).

Quy trình th�c nghi�m và x�lý d�li�u hoàn toàn tương t�như

�ã mô t� �m�c III.2. B�d�li�u th�c nghi�m��ng h�c��ng nhi�t g�m 3 gi�n�� DSC, �ư�ng th�ng Ozawa và h� �ư�ng��ng nhi�t

�ư�c cho trên các hình 3.25 3.27.

Trên gi�n �� DSC � hình 3.25, ph�n quét t�ng nhi�t c�a m�u paraphin P54, quan sát th�y 2��nh thu nhi�t, ký hi�u nhi�t�� ��nh tương �ng theo chi�u t�ng nhi�t �� là Tp1 và Tp2. ��nh t�i Tp1

tương �ng v�i chuy�n pha r�n r�n c�a 2 d�ng c�u trúc khác nhau c�a paraphin, còn ��nh thu nhi�t th�2, Tp2, tương �ng v�i chuy�n pha r�n l�ng c�a PCM paraphin.

Hình 3.25: D�li�u DSC cho nghiên c�u��ng h�c b�t��ng nhi�t m�u PCM paraphin P54.

Một phần của tài liệu phân tích nhiệt ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu (Trang 173 - 191)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(239 trang)