ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ ТЕПЛОВОГО АККУМУЛЯТОРА ДЛЯ ПОДДЕРЖАНИЯ ПУСКОВОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ДВС СТРОИТЕЛЬНОЙ МАШИНЫ
HEAT ACCUMULATING MATERIAL OF HEAT ACCUMULATOR FOR MAINTAINING START-UP TEMPERATURE OF ICE (INTERNAL COMBUSTION ENGINE) OF BUILDING MACHINE

Изобретение относится к области машиностроения, а более конкретно к составам теплоаккумулирующих материалов, используемых в тепловых аккумуляторах в период межсменной стоянки строительной машины в зимний период.
Тепловые аккумуляторы используются для предпускового подогрева двигателя внутреннего сгорания (ДВС) строительной машины в период межсменной стоянки в зимний период. Утилизация вторичного тепла в тепловые аккумуляторы с применением в качестве теплоаккумулирующей среды материалов с фазовым переходом является наиболее актуальным техническим решением, так как эти материалы обладают достаточно высоким коэффициентом полезного действия, позволяющим хранить тепло достаточно долго, особенно при использовании явления переохлаждения жидкой фазы с последующим инициированием фазового перехода в минимально короткое время, а также отличаются простотой зарядки теплового аккумулятора.
Известен состав на основе перенасыщенного раствора ацетата натрия трехводного с добавлением пищевого желатина и глицерина (пат. №2149608, кл. A61F 7/03, 1999), который используется в качестве теплоносителя в солевых грелках.
Используемый в качестве теплоносителя пересыщенный водный раствор ацетата натрия в солевых грелках обладает следующими недостатками.
Температура реакции - это температура теплоаккумулирующего материала в результате самокристаллизации, составляет 40°C. Температура самокристаллизации материала - это температура, при которой начинается реакция выделения тепла, составляет -9°C.
Температура фазового перехода - это температура, при которой теплоаккумулирующий материал переходит из твердого агрегатного состояния в жидкое состояние, составляет 90°C.
Все эти показатели не удовлетворяют требованиям теплоаккумулирующего материала, используемого в тепловом аккумуляторе.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка состава теплоаккумулирующего материала, соответствующего всем необходимым требованиям для использования его в качестве теплоносителя в тепловом аккумуляторе.
При осуществлении технического решения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается в улучшении эксплуатационных характеристик теплоаккумулирующего материала, таких как температура реакции, температура самокристаллизации и температура фазового перехода.
Для достижения указанного технического результата предложен теплоаккумулирующий материал для использования его в качестве теплоносителя в тепловом аккумуляторе, включающий пищевой желатин, хлорид натрия, гидрооксид натрия, при следующих соотношениях компонентов на 100 грамм перенасыщенного раствора ацетата натрия трехводного:
Пищевой желатин (C<sub>102</sub>H<sub>151</sub>O<sub>39</sub>N<sub>31</sub>)
2-3 грамм
Хлорид натрия (NaCl)
2-3 грамм
Гидрооксид натрия (NaOH)
1-2 грамм
Предлагаемый состав отличается от известного тем, что при уменьшении концентрации желатина с 5 грамм до 2-3 грамм в 100 граммах перенасыщенного раствора ацетата натрия трехводного, добавлении хлорида натрия 2-3 грамма и гидрооксида натрия 1-2 грамма удалось достичь температуры реакции 50°C, температуры самокристаллизации -5°C и температуры фазового перехода 76°C. Данные характеристики являются основополагающими для теплоаккумулирующего материала при использовании его в качестве теплоносителя в тепловом аккумуляторе.
Температура реакции теплоаккумулирующего материала в результате самокристаллизации первоначально составляла 40°C, при добавлении пищевого желатина, хлорида натрия и гидрооксида натрия ее удалось увеличить до 50°C. Температура реакции должна быть максимально высокой, так как чем выше температура реакции, тем больше количество теплоты, переданное тепловым аккумулятором объекту нагрева. В результате добавления пищевого желатина, хлорида натрия и гидрооксида натрия удалось увеличить температуру реакции на 10°C.
Температура самокристаллизации теплоаккумулирующего материала, при которой начинается реакция выделения тепла, первоначально составляла -9°C, ее удалось уменьшить до -5°C. Температура самокристаллизации теплоаккумулирующего материала должна быть в пределах -5°C, так как при этом температурном пределе существует возможность получить максимальный тепловой поток от теплового аккумулятора к объекту нагрева. В результате добавления пищевого желатина, хлорида натрия и гидрооксида натрия удалось увеличить температуру самокристаллизации теплоаккумулирующего материала на 4°C.
Температура фазового перехода теплоаккумулирующего материала, при которой теплоаккумулирующий материал переходит из твердого агрегатного состояния в жидкое состояние, первоначально составляла 90°C, ее удалось уменьшить до 76°C. Температура фазового перехода теплоаккумулирующего материала должна быть как можно меньше, так как чем меньше температура фазового перехода, тем меньше времени требуется на зарядку теплового аккумулятора, что является важной характеристикой. В результате добавления пищевого желатина, хлорида натрия и гидрооксида натрия удалось уменьшить температуру фазового перехода теплоаккумулирующего материала на 14°C.
Соотношения компонентов в теплоаккумулирующем материале были получены в результате экспериментов, которые определили пределы компонентов в теплоаккумулирующем материале с учетом влияния каждого компонента на итоговые свойства теплоаккумулирующего материала.
Эксперименты проводились в камере холода при температуре -30°C. В перенасыщенный раствор ацетата натрия трехводного последовательно добавлялись компоненты и далее этот раствор помещался в камеру холода, где по средствам датчиков снимались показатели температуры и времени. Если состав не удовлетворял необходимым требованиям, то изменялась масса компонента и заново повторялась процедура снятия температурных характеристик теплоаккумулирующего материала.
В качестве компонентов использовался пищевой желатин в виде гранул по ГОСТ-11293-89, хлорид натрия в виде бесцветных кристаллов по ГОСТ 13830-97 и гидрооксид натрия в виде бесцветных кристаллов по ГОСТ 2263-79.
Первый исследуемый компонент, который добавлялся в теплоаккумулирующий материал. Благодаря добавлению пищевого желатина возможно повышение температуры прохождения реакции самокристаллизации теплоаккумулирующего материала.
Результаты проведенных экспериментов представлены на фиг.1, где представлен график температур теплоаккумулирующего материала с добавлением пищевого желатина, на фиг.2, где представлен график температур теплоаккумулирующего материала с добавлением хлорида натрия, на фиг.3, где представлен график температур теплоаккумулирующего материала с добавлением гидрооксида натрия.
На фиг.1 изображена температура реакции теплоаккумулирующего материала - это температура в результате самокристаллизации. Максимальная температура самокристаллизации теплоаккумулирующего материала, которая достигается. При оптимальной концентрации пищевого желатина температура реакции теплоаккумулирующего материала составляет 54°C.
Температура самокристаллизации теплоаккумулирующего материала - это температура, при которой начинается реакция выделения тепла. При оптимальной концентрации пищевого желатина температура самокристаллизации теплоаккумулирующего материала составляет 0°C.
Температура фазового перехода теплоаккумулирующего материала - это температура, при которой теплоаккумулирующий материал переходит из твердого агрегатного состояния в жидкое состояние. При оптимальной концентрации пищевого желатина температура фазового перехода теплоаккумулирующего материала составляет 80°C.
В результате проведения эксперимента было выявлено содержание пищевого желатина в теплоаккумулирующем материале, оно составило 2-3 грамма в 100 граммах раствора ацетата натрия трехводного.
Однако полученные результаты не соответствуют требованиям теплоаккумулирующего материала, поэтому необходимо проведение второго эксперимента.
Второй компонент подбирался с целью уменьшение температуры начала реакции теплоаккумулирующего материала до -5°C. Хлорид натрия добавлялся к уже подобранному раствору ацетата натрия трехводного с пищевым желатином.
Результаты эксперимента представлены на фиг.2, где изображены температура реакции, температура самокристаллизации и температура фазового перехода при добавлении хлорида натрия.
Из графика видно, что при добавлении хлорида натрия идет снижение температуры начала реакции теплоаккумулирующего материала, но также снижаются и температура реакции теплоаккумулирующего материала и температура перехода теплоаккумулирующего материала из твердого агрегатного состояния в жидкое агрегатное состояние. Поэтому выбор соотношения концентрации хлорида натрия должен основываться на оптимальном варианте без существенной потери в показаниях температуры реакции теплоаккумулирующего материала, температуры фазового перехода теплоаккумулирующего материала.
При оптимальной концентрации хлорида натрия температура реакции теплоаккумулирующего материала равна 48°C, температура самокристаллизации теплоаккумулирующего материала равна -4°C, температура фазового перехода теплоаккумулирующего материала равна 79°C. По результатам эксперимента видно, что температура самокристаллизации теплоаккумулирующего материала составила -4°C.
В результате проведения эксперимента было выявлено содержание хлорида натрия в теплоаккумулирующем материале, оно составило 2-3 грамма в 100 граммах раствора ацетата натрия трехводного.
Для понижения температуры самокристаллизации теплоаккумулирующего материала до -5°C необходимо добавление третьего компонента - гидрооксида натрия.
Третий компонент добавлялся с целью уменьшения температуры начала реакции теплоаккумулирующего материала до -5°C и увеличения температуры реакции теплоаккумулирующего материала. Гидрооксид натрия добавлялся к уже подобранному раствору ацетата натрия трехводного с пищевым желатином и хлоридом натрия.
Результаты эксперимента представлены на фиг.3, где изображены температура реакции, температура самокристаллизации и температура фазового перехода при добавлении гидрооксида натрия.
Благодаря использованию гидрооксида натрия удалось достичь температуры самокристаллизации теплоаккумулирующего материала -5°C и увеличить температуру реакции теплоаккумулирующего материала до 50°C, а температуру фазового перехода теплоаккумулирующего материала снизить до 76°C.
В результате проведения эксперимента было выявлено содержание гидрооксида натрия в теплоаккумулирующем материале, оно составило 2-3 грамма в 100 граммах раствора ацетата натрия трехводного.
Теплоаккумулирующий материал используется в качестве теплоносителя в тепловых аккумуляторах для предпусковой подготовки ДВС после межсменной стоянки в зимний период.
Тепловой аккумулятор имеет различные конструкции, например отдельный металлические емкости, заполненные теплоаккумулирующим материалом. Основной принцип, заложенный в их работе, заключается в накоплении теплоаккумулирующим материалом в процессе работы строительной машины тепловой энергии и дальнейшей ее передачи в процессе межсменной стоянки. Процесс накопления тепловой энергии теплоаккумулирующим материалом заключается в переходе теплоаккумулирующего материала из твердого агрегатного состояния в жидкое агрегатное состояния. Далее после остановки двигателя происходит постепенное остывание теплоаккумулирующего материала, что в результате приводит к реакции самокристаллизации теплоаккумулирующего материала. Реакция самокристаллизации теплоаккумулирующего материала сопровождается выделением тепла, которое применяется для поддержания пусковой температуры ДВС.