ДИЛАТОМЕТРИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО РАСШИРЕНИЯ СМЕСЕЙ ПАРАФИНОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В КАЧЕСТВЕ ФАЗОПЕРЕХОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Парафины представляют собой смесь твердых насыщенных углеводородов, обладающих рядом свойств, которые делают их перспективными материалами для накопления и хранения тепловой энергии. Особый интерес к данным веществам обусловлен их способностью аккумулировать значительное количество теплоты в процессе фазового перехода из твердого состояния в жидкое и обратно. Благодаря высокой скрытой теплоте плавления, химической стабильности и доступности парафины широко применяются в качестве фазопереходных материалов в системах терморегулирования, солнечной энергетике и теплоаккумулирующих устройствах.

Одной из важных характеристик парафинов является их тепловое расширение. При изменении температуры происходит изменение объема вещества, что необходимо учитывать при проектировании емкостей и теплообменных систем. Для изучения данного явления применяется дилатометрический метод, основанный на измерении изменения объема образца при нагревании или охлаждении. Дилатометрия позволяет получить информацию о коэффициенте теплового расширения, температурных интервалах фазовых превращений и особенностях поведения материала в процессе плавления.

При нагревании твердого парафина наблюдается постепенное увеличение объема, связанное с возрастанием амплитуды тепловых колебаний молекул. В области фазового перехода характер изменения объема существенно меняется. Разрушение кристаллической структуры сопровождается резким увеличением межмолекулярных расстояний, вследствие чего объем материала возрастает значительно быстрее, чем в твердом состоянии. Для смесей парафинов процесс плавления протекает не при одной фиксированной температуре, а в определенном интервале, что обусловлено различием состава входящих в смесь углеводородов. В результате на дилатометрической кривой вместо резкого скачка наблюдается более плавный переход от твердой фазы к жидкой.

Экспериментальные исследования показывают, что объемное расширение парафинов в процессе плавления может достигать 10–15 %. После завершения фазового перехода вещество продолжает расширяться уже как жидкость, причем коэффициент теплового расширения жидкой фазы обычно выше, чем у твердой. Полученные данные имеют важное практическое значение, поскольку позволяют определить необходимый запас объема в контейнерах для хранения фазопереходного материала и предотвратить возникновение механических напряжений при эксплуатации.

Использование парафинов в качестве фазопереходных материалов основано на их способности накапливать тепловую энергию в процессе плавления и высвобождать ее при кристаллизации. Благодаря этому обеспечивается стабилизация температуры в заданном диапазоне. Смеси парафинов позволяют изменять температуру фазового перехода путем подбора компонентного состава, что расширяет возможности их практического применения. В настоящее время такие материалы используются в строительных конструкциях для повышения энергоэффективности зданий, в солнечных тепловых установках, системах охлаждения аккумуляторных батарей и электронного оборудования.

Таким образом, дилатометрическое исследование смесей парафинов является эффективным методом изучения процессов теплового расширения и фазовых превращений. Полученные результаты позволяют оценить изменение объема материала в широком диапазоне температур и обосновать его применение в качестве фазопереходного материала для современных систем аккумулирования тепловой энергии.

Список литературы:

1. Sharma A., Tyagi V. V., Chen C. R., Buddhi D. Review on thermal energy storage with phase change materials and applications // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2009. - Vol. 13. No. 2. - P. 318–345.
2. Kenisarin M., Mahkamov K. Solar energy storage using phase change materials // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2007. - Vol. 11. No. 9. - P. 1913–1965.
3. Матвеев А. Н. Молекулярная физика : учебник для физических специальностей вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. -М. : Высшая школа, 1987. -360 с.
4. Mehling H., Cabeza L. F. Heat and Cold Storage with PCM: An up to Date Introduction into Basics and Applications. - Berlin : Springer, 2008. - 308 p.
5. Alva G., Lin Y., Fang G. An overview of thermal energy storage systems // Energy. 2018. - Vol. 144. - P. 341–378.