Разработка материалов для тепловых аккумуляторов с использованием теплоты фазового перехода тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.06, кандидат технических наук Сластилова, Светлана Викторовна

• Сластилова, Светлана Викторовна
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сластилова, Светлана Викторовна

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. тепловое аккумулирование энергии.

1.2. тепло аккумулирующие материалы для тепловых аккумуляторов с использованием теплоты фазового перехода.

1.2.1. Органические материалы.

1.2.2. Неорганические материалы.

1.2.2.1. Низкотемпературные материалы (273-473 К).

1.2.2.2. Высокотемпературные материалы (473-1270К).

1.2.2.3. Металлы и сплавы.'.

1.3. Основные характеристики сплавов Al-Si с точки зрения их использования в ТА с фазовым переходом.:.

1.4. Конструкционные материалы. для ТАМ из алюминий - кремниевых сплавов.

1.5. Выводы и задачи исследования.

1.6. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ИССЛЕДУЕМОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ТЕПЛОВОГО АККУМУЛЯТОРА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕПЛОТЫ ФАЗОВОГО ПЕРЕХОДА И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ.

2.1 .Теплоаккумулирующий материал и его макроструктура.

2.2.условия эксплуатации теплоаккумулирующего композиционного материала и основные требования, предъявляемые к нему

2.2.1. ТАМ- сплав Al-12Macc%Si.

2.2.2. Керамическая матрица.

2.2.3. Защитный слой на грануле ТАМ.

2.2.3.1. Расчет толщины защитного слоя.

2.2.3.2 Условия формирования защитного слоя.

2.3.технологическая схема изготовления теплоаккумулирующего элемента.

2.3.1.Получение гранул из сплава Al-Si.

2.3.2. Изготовление образцов ТАЭ.

2.3.3. Контроль образцов.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОЦЕНКА ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ СОВМЕСТИМОСТИ ГРАНУЛ СПЛАВА AL-SI С КОНСТРУКЦИОННЫМИ МАТЕРИАЛАМИ.

3.1. Анализ физико-химических процессов в керамической матрице и оценка ее огнеупорности

3.2. Влияние возможных новообразований на термостойкость матрицы.

3.3. Анализ физико-химических процессов на границе контакта защитного слоя гранулы ТАМ

3.3.1. Граница контакта керамической матрицы и защитного оксидного слоя гранулы.

3.3.2. Граница контакта оксидного слоя гранулы с расплавом Al-Si.

4.МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ И ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ СОВМЕСТИМОСТИ СПЛАВОВ AL-SI С КОНСТРУКЦИОННЫМ МАТЕРИАЛОМ.

4.1 .Оценка термостойкости ТАЭ по изменению т.к.л.р. в зависимости от состава материала

4.2. Цель испытания на термоциклирование.

4.3. Режим испытания на термоциклирование.

4.4. Характер проводимых исследований.

4.5.Методика экспериментального исследования, используемое оборудование и приспособления.

4.6. результаты исследований по влиянию термоциклирования на теплоаккумулирующий композиционный материал.,.

4.6.1. Визуальный осмотр образцов и уточнение режима их обжига.

4.6.2. Исследование матрицы.

4.6.3. Исследование сплава Al-Si.

4.6.3.1. Исследования микроструктуры сплава.

4.6.3.2.Исследование состава Al-Si сплава.

4.6.4. Исследование защитного слоя гранулы ТАМ.

4.6.4.1. Электронная микроскопия.

4.6.4.2. Рентгенофазовый анализ.

4.6.4.3.Механизм образования защитного слоя гранулы.

4.7. термомеханическая совместимость гранул ТАМ с конструкционным материалом.

4.8. Оценка стабильности тегоюнакопительных характеристик теплоаккумулирующего элемента.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка материалов для тепловых аккумуляторов с использованием теплоты фазового перехода»

Экономия энергетических ресурсов всегда имела важнейшее значение в народном хозяйстве и особенно актуальна в настоящее время. Известно, что затраты на любое мероприятие по экономии топлива и электроэнергии в 2-3 раза ниже затрат на расширение топливно-энергетической базы [1]. Проблемы рационального расходования топливно-энергетических ресурсов решаются совершенствованием системы преобразования первичной энергии и повышением эффективности использования произведенной энергии потребителем.

В нашей стране потребляется до 20% всего мирового производства первичных энергоресурсов, однако себестоимость органического топлива растет быстрыми темпами, обостряются экологические проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды топливоиспользующими установками, особенно при увеличении масштабов потребления низкосортного твердого топлива. В связи с указанными проблемами становится все более необходимым использование нетрадиционных энергоресурсов наряду с внедрением энергосберегающих технологий.

Любая система снабжения энергией состоит из источника первичной энергии, подсистемы преобразования энергии и потребителей преобразованной энергии. В системе могут возникнуть несоответствия - как во времени, так и в пространстве - между подачей энергии и потребностями. На рис.1 представлены графики суточной нагрузки в системе энергоснабжения. Как видно из графиков, нагрузка достигает наивысшего значения в середине зимы (М макс). Пики наблюдаются в утренние и вечерние часы [1,2]. 8

Преодоление таких несоответствий возможно путем использования тепловых аккумуляторов. Установка для аккумулирования энергии может оказаться дешевле пиковой энергетической установки. Кроме того, при ее применении могут быть снижены затраты на топливо, так как для зарядки аккумулятора может быть использован избыток энергии от установок базисной нагрузки с низкой стоимостью топлива.

К другим задачам аккумулирования энергии относятся:

• обеспечение резерва в случае внезапного прекращения работы установок, особенно на период запуска резервных установок;

• регулирование или буферное аккумулирование при высоких амплитудах изменения нагрузки, что позволяет покрывать нагрузку при небольших градиентах изменения мощности первичного источника энергии;

• аккумулирование энергии вблизи мест ее потребления с тем, чтобы уменьшить пики нагрузки~и стоимость системы энергоснабжения не только в части преобразования энергии, но также в распределительной сети [1].

Интерес к тепловым аккумуляторам резко возрос с 70-х годов. Наиболее эффективно использование тепловых аккумуляторов (ТА) при существовании льготного тарифа в ночное время, что уже давно практикуется в ряде стран западной Европы и с недавнего времени вступает в силу в нашей стране. Наличие льготного ночного тарифа стимулирует переключение части бытовых потребителей на ночное время, когда мощности электростанций используются не полностью. ТА позволяют накапливать тепло с помощью электрических нагревателей ночью и отдавать постепенно в течение суток до следующей зарядки, что позволяет при массовом их использовании в определенной мере сгладить суточный характер кривых потребления электроэнергии. 9

Заключение диссертации по теме «Порошковая металлургия и композиционные материалы», Сластилова, Светлана Викторовна

Выводы и рекомендации

В результате исследования литературных данных, анализа теплофизических и термодинамических свойств теплоаккумулирующих и конструкционных материалов и изучения процессов, протекающих между ними в интервале температур 20-600 °С, установлено, что в ТА на фазовом переходе наиболее подходящим для использования в качестве ТАМ является сплав алюминий-кремний эвтектического состава, а в качестве конструкционного - материал на основе высокотемпературных оксидов, в частности, оксидов алюминия и магния.

На основании установленной зависимости термостойкости теплоаккумулирующего элемента от его структуры доказаны преимущества использования в качестве теплоаккумулирующего материала композиции из керамической матрицы на основе оксида магния и наполнителя из ТАМ в виде гранул сплава А1-12 масс% с защитным слоем из оксида алюминия.

Проведенный термодинамический анализ процессов, протекающих в керамической матрице и на межфазных границах, показал возможность образования новых фаз в процессе обжига и эксплуатации; при термоциклировании на границе контакта защитного слоя и керамической матрицы установлена закономерность появления новой фазы шпинели (от 3 до 6%). Теоретически и экспериментально показано, что появление новых фаз не снижает рабочие характеристики разработанного материала.

Исследована огнеупорность керамической матрицы на основе оксида магния в зависимости от состава. Установлено, что максимальная рабочая температура матрицы в присутствии Al-Si сплава и/или А120з составляет 1345°С.

На основании выявленной взаимосвязи между стабильностью теплонакопительных характеристик композиционного материала и соотношением масштабных факторов его структурных составляющих установлено, что термомеханическая совместимость защитного слоя оксида алюминия и гранул сплава Al - 12 масс% Si диаметром 10-15 мм обеспечивается при толщине слоя от 10 до 50 мкм.

На основании исследования физико-химической и термомеханической совместимости гранул алюминий - кремниевого сплава с керамической матрицей выбраны оптимальные параметры технологического процесса изготовления теплоаккумулирующего композиционного материала, обеспечивающие получение защитного слоя оксида алюминия переменной толщины от 10 до 50 мкм. Предложен механизм образования защитного слоя гранулы на межфазной границе ТАМ - керамическая матрица.

Впервые проведены исследования по влиянию длительного термоциклирования (более 520 циклов нагрев - охлаждение 20-600-20 °С и выдержке 5000 часов при температуре плавления ТАМ), на термостойкость теплоаккумулирующего композиционного материала, состоящего из ТАМ в виде гранул сплава A!-12Macc%Si с защитным слоем из оксида алюминия и

156

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сластилова, Светлана Викторовна, 2000 год

1. Бекман Г., Гилли П. Тепловое аккумулирование энергии. Перевод с англ.1. М.: Мир, 1987.-272 с.

2. Studie über Energies peicher in Systemen mit Warme Kraft-Kopplyng Studie im Ottobrunn: MBB, 1977

3. Biswas Dipak R.II Solar Energy. 1991 .V.19.№5.P.99-100.

4. Харченко H.B. Индивидуальные солнечные установки. M.: Энергоатомиздат, 1991. - 208 с.

5. Gintz J.R., Pepper J.: Technical and Economical Assessment of Phase Change and Thermochemical Advanced Thermal Energy Storage (TES) Systems. EPRI-Report EM-256. 1976.

6. Левенберг В.Д., Ткач М.П., Гольстрем B.A. Аккумулирование тепла. Киев: Техника, 1991.

7. Kamimoto М., Sakamoto R., Takahashi Y. et al., Investigation of latent heat-thermal energy storage materials.//Thermochim. Acta. 1984. V.74.№1-2. P.281-290.

8. Usmani A.M. Phase change clatrate materials for energy storage. //J. Matter. Sei. Lett. 1983.V.2.№11. P.681-682.

9. Hadjiva M.// Sol. Energy Mater. & Sol. Cells. 1992. V.27.№ 2. P. 181-187.

10. Fuji I.//Sol. Energy. 1991. V. 47. №5. P.393-403.

11. Савин B.K. Исследование свето- и теплотехнических качеств светопрозрачной конструкции, аккумулирующей солнечную энергию./ В сб. Исследование по строительной теплофизике. М., 1989. 191-197.

12. Trans. Jap. Soc. Eng. 1992. V.58. №553.P.2848-2856.

13. Абэ Йосиноке.Епд. Mat. 1984. V.32. № 5. P. 62-69.

14. Kamimoto M. Bull. Electrotechn. Lab. 1989. V.53. №8. P. 119-126.

15. Takahash Y. Теплоаккумулирующая среда для аккумулятора фазового перехода. Пат. 4463799. СЩА.

16. Guion J., Sausade J.D.,Laught M. Critical examination and experimental determination of melting enthalpies and entropies of salt hydrates// Thermochim. Acta. 1983. V.67. №2-3. P. 167.

17. Meisingset K.K., Gronvold F. Thermodynamic properties and phase transitions of salt hydrates between 70 and 400 K.//J. Chem. Thermodyn. 1984. V. 16. № 5. P. 523-526.

18. Gronvold F., Meisingset K.K. Thermodynamic properties and phase transitions of salt hydrates between 270 and 400 K.// J. Chem. Thermodyn. 1982. V. 14. № 9. P. 881-889.

19. Gronvold F., Meisingset K.K. Thermodynamic properties and phase transitions of salt hydrates between 270 and 400 К.// J. Chem. Thermodyn. 1986. V. 18. № 2. P. 159-173.

20. Gronvold F., Meisingset K.K. Thermodynamic properties and phase transitions of salt hydrates between 270 and 400 К.// J. Chem. Thermodyn. 1982. V. 14. № 10. P. 1083-1098.

21. Stunic Z., Djurickovic V., Stunic M. Thermal storage: nucleation of melts of inorganic salt hydrates.// J. Appl. Chem. and Biotechnol. 1978. V. 28. № 28. P. 761-765.

22. Cantor S. Application of differential scanning calorimetry to the study of thermal energy storage//Thermochim. acta. 1978. V. 26. № 1-3. P. 39-47.

23. Cantor S.DSC study of melting and solidification of salt hydrates// Thermochim. acta. 1979. V. 33. № 1-3. P. 69-86.

24. Elder J.P. Thermal energy stooge materials a DSC study// J. Electrochem. Soc. 1980. V. 127. № 3. P. 115.

25. Felchenfeld H., Fuchs Y., Kahana F. The stability of hydrates of inorganic salts in cooling heating cycles// Israel J. Chem. 1982. V. 22. № 3. P. 219-221.

26. Wada Т., Matsunaga K., Matsuo Y. Studies of salt hydrates for latent heat storage// Bull. Chem. Soc. Jap. 1984. V. 57. № 3. P. 557-560.

27. Wada Т., Matsuo Y. Studies of salt hydrates for latent heat storage// Bull. Chem. Soc. Jap. 1984. V. 57. № 3. P. 561-563

28. Yaccarino C., Fiorovanti T. A new system for heat storage utilizing salt hydrates// Solar Energy. 1983. V. 30. № 1. P. 23-125.

29. Abhat A. Low temperature latent heat thermal energy storage// Solar Energy. 1983. V. 30. №2. P. 313-331.

30. Kimura H., Kai J. Phase change stability of CaCI2.6H20// Solar Energy.1984. V. 33.№ 1. P. 49-55.

31. Chan R.K. Thermodynamic of energy storage of inorganic salt hydrates// IUPAC Conf. Chem. Thermodiyn. Conf. Hamilton. 1984. Ser. 1. P. 138-139.

32. Дихтиевский О.В. Тепловые аккумуляторы, препринт №27, Институт тепло -и массообмена. Минск, 1989. - 54с.

33. Abe Y. Molten salt latent thermal energy storage for load following generation in nuclear power plant. 21-st intersociety Energy conversion eng. Conf. 1986. P. 856-861.

34. Maril H.C., et al.: Molten Salt Thermal Energy Storage System: Salt. Selection, US/ERDA Report COO - 2888 -1, Spring field, Va: NTIS, 1976

35. Ives I.K. High temperature molten salt storage concept. 21-st intersociety. Energy conversion eng. Conf. 1986. P. 862-866.

36. Phillips W.M., Steam I. Advanced latent heat of fusion thermal energy storage for solar power system. Proc. 20-th Int. Energy Conv. Eng. Conference. 1985. P. 2384-2391.

37. Z.G.Huang, G.S.Wu, S.L.Xiao; S.H.Mai. Properties of Cast Aluminium Alloys as Termal Storage Materials, Cast Metals, Vol.1, No.4, 1990, p.p.203-206.

38. Аккумулирование энергии и пути повышения эффективности работы электростанций и экономии энергии. М. 1986. Материалы Всесоюзного научно-технического совещайия (Москва, октябрь 1985 г.).

39. Набойщиков А.Е., Гуров К.П. Теплота плавления сплавов системы Pb-Sn// ФХОМ. 1983. № 5. С. 137-138.

40. Farkas Diana, Birchenall С.Е.// Met. Trans. 1985. V. 16A. P. 323-327.

41. Birchenall C.E., F.Riechman Alan//Met. Trans. 1980. V. 11A. № 8.P. 1415-1420.

42. Lim J.C., Bejan A.//Trans. OftheASME. 1992. V. 114. №3. P. 84-90.

43. Мартынова H.M., Родионова E.K., Тишура T.A., Чернеева Л.И. Исследование энтальпии плавления металлических эвтектик. ЖФХ, №4. 1987. С,1009-1010.

44. Буйнов Н.Н., Мальцев.М.В., Фридляндер И.Н. Металловедение алюминия и его сплавов. М.: Металлургия, 1971.

45. Жук Н.П. Курс коррозии и защиты металлов. М.: Металлургия, 1968. - 408 с.

46. Заявка 93-003978/04/00422 от 28.01.93. Теплоаккумулирующий материал для теплового аккумулятора. МКИ C10L5/06.

47. Ларионов Г.В. Вторичный алюминий. М.: Металлургия, 1967. - 272 с.

48. Алюминиевые сплавы (свойства, обработка, применение). Справочник/Пер. с немецкого. М.: Металлургия, 1979. - 680 с.

49. Родин А.Я. Вопросы технологии литейного производства./ Труды МАТИ, вып. 49. Оборонгиз, 1961, вып. 56. 1963.

50. Flamant С.//Mater, et techn.1985.V.12.P.693-697.

51. A.св. . № 920349 СССР. Теплоаккумулирующий элемент теплообменника/. Артемьев В.И. и др. //Открытия. Изобретения. 1982. №4

52. Новая керамика/ Под общей ред. П.П.Будникова. М: Стройиздат, 1969. -311 с.

53. Стрелов К.К. Теоретические основы технологии огнеупорных материалов. -М.: Металлургия, 1985. 479 с.

54. Плавка и литье алюминиевых сплавов: Справочник/Под редакцией Добаткова В.И. М.:Металлургия, 1983. - 352 с.

55. Самсонов Г.В. Физико-химические свойства окислов: Справочник М.: Металлургия, 1969. - 456 с.

56. Хохлев В.М. Производство литейных алюминиево-крамниевых сплавов. М.: Металлургия, 1980. - 68 с.

57. Андреев А.Д., Гогин В.Б., Макаров Г.С., Высокопроизводительная плавка алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1980. - 136 с.

58. Андреев А.Д., Гогин В.Б., Темчин М.З., Плавка алюминиевых сплавов в шахтных печах. М.: Металлургия, 1988. - 152 с.

59. Взаимодействие огнеупоров с металлами и шлаками./ отв. Ред В.С.Турчанинов. Ленинград, 1978. - 103 с.

60. Лебедев В.М., Мельников A.B., Николаенко В.В. Отливки из алюминиевых сплавов. М.: Машиностроение, 1970. - 216 с.

61. Кингери У.Д. Введение в керамику. М.: Строиздат, 1967. -495 с.161

62. Андриевский Р.А., Панин А.Г., Рымашевский Г.А. Прочность тугоплавких соединений. М.: Металлургия, 1974.-231 с.

63. Соломин Н.В. Высокотемпературная устойчивость материалов и элементов конструкций,- М.: Машиностороение. 1980.-128 с.

64. Nemecek J.J., et. al., Demand Sensitive Energy Storage in Molten Salts// Solar Energy. 1978. V.20. P. 213-217.

65. Рэнди Дж. Петри, Эстела Т.Онг. Высокотемпературные теплоаккумуляторы с солями и керамическими материалами в качестве теплоаккумулирующих материалов.

66. Ротенберг Г.Б. Огнеупорные материалы. М.: Металлургия./перевод с английского. 1980 - 344 с.

67. Патент №22088857. Тепловой аккумулятор и теплоаккумулирующий элемент/ Булычев В.В., Загрязкин В.Н., Степанов B.C. и др.// Открытия. Изобретения. 1997. №24.

68. Соломин Н.В. Термомеханические напряжения в сопряжениях стекла, керамики, металлов и других материалов.-'Стекло и керамика", 1962, №8, с.14-17.

69. Конструкционные материалы: Энциклопедия / Под редакцией А.Т.Туманова и др. М.: Советская энциклопедия, 1963.Т.1. - 416 с.

70. Конструкционные материалы: Энциклопедия/Под редакцией А.Т.Туманова и др. М.: Советская энциклопедия, 1963. Т.2. - 334с.

71. Попильский Р.Я., Кондрашев Ф.В. Прессование керамических порошков. М.: Металлургия, 1968. 272 с.

72. Айзенкольб Ф. Успехи порошковой металлургии./Пер. с нем. М.: Металлургия, 1969. - 540 с. .

73. Производство полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: Справочное издание/Балахонцев Г.А., Барбанель Р.И., Бондарев Б.И. и др. М.: Металлургия, 1985, 352 с.

74. Корнеев В.И., Данилов В.В. Производство и применение растворимого стекла. Ленинград: Стройиздат, 1991, 175 с.

75. Торопов H.A., Борзаковский В.П., Лапин В.В., Курцева H.H. Диаграммы состояния силикатных систем. Вып. 3. Л.'.Наука, 1972, 447 с.

76. Химическая энциклопедия,- М.: Советская энциклопедия., 1988.

77. Огнеупорные бетоны: Справочник/Замятин С.Р., Пургин А.К., Хорошавин Л.Б. и др., М.: Металлыргия, 1982, 190 с.

78. Жаростойские бетоны/Под редакцией Некрасова К.Д. М.: Стройиндустрия, 1974. - 176 с.

79. Торопов H.A., Барзаковский В.П. Высокотемпературная химия силикатных и других окисных систем. Ленинград: Академия наук СССР. 1963, - 260 с.

80. Бережной A.C. Многокомпонентные системы окислов. Киев.: Наукова думка, 1970. - 541 с.

81. Дегтярева Э.В., Кайнарский И.С. Магнезиально-силикатные и шпинельные огнеупоры. М.Металлургия. 1977. - 168 с.

82. Краткий справочник физико-химических величин. Под редакцией К.П.Мищенко и А.А.Равделя.- Ленинград: Химия, 1965.-160 с.

83. Торопов H.A. Химия силикатов и окислов. Ленинград: «Наука», 1974. - 440 с.

84. Пономарева К.С. Сборник задач по физической химии. М.: Металлургиздати, 1962. - 232- с.

85. Люпис К. Химическая термодинамика материалов. М.: Металлургия, 1989.501 с.

86. Термодинимические свойства неорганических веществ. Справочник. У.Д.Верятин, В.П.Маширев, Н.Г.Рябцев и др. -М.: Атомиздат, 1965.-460 с.

87. L. Degueldre.-Bull. Soc. Chim. Belges, 1953. 347 с.88.0лкокк С.Б. Металлургическая термохимия./Перевод с англ. М.:

88. Металлургия, 1982. 392 с. . 89. Вредные вещества в промышленности. Справочник. Том З./Под ред.

89. Н.В.Лазарева. Ленинград: Химия, 1977.-608 с. ЭО.Кайнарский И.С., Дегтярев Э.В., Стрелов К.К., Орлов Г.И., Корундовые огнеупоры и керамика. - М.: Металлургия, 1981. - 168 с.

90. Стрелов К.К. Структура и свойства огнеупоров. М.: Металлургия, 1982. -208 с.

91. Лившиц Б.Г. Физические свойства металлов и сплавов. М.: Машиздат, 1956,-333 с.

92. Быковский А.И. Растекание. Киев: Наукова думка, 1963.-190 с.

93. Беккерт М., Клемм X. Справочник по металлографическому травлению. М.: Металлургия, 1979. - 335 с.

94. Панченко Е.В., Скоков Ю.А., Кример Б.И. и др. Лаборатория металлографии. М.: Металлургия, 1965. -439 с.

95. Бабичев А.П. и др. Физические величины./Справочник/ М.: Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.