ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 1994 года по МПК A41D13/00 

Изобретение относится к акумулированию тепловой энергии и использованию теплоаккумулирующих материалов для оптимизации температуры поверхности тела человека в экстремальных условиях.

Для поддержания оптимальной температуры поверхности тела человека применяются, в основном, пассивные способы. Одежда является теплоизолирующим материалом, регулирующим уровень теплообмена поверхности тела с окружающей средой. В обычных условиях теплоизолирующая одежда в совокупности с адаптационными возможностями здорового человека обеспечивают нормальный уровень теплообмена со средой с поддержанием оптимальных температур поверхности тела. Однако возможности общеизвестного способа регулирования теплообмена ограничены и в экстремальных климатических условиях (при очень низких и очень высоких температурах среды) теплорегулирующая функция одежды выполняется плохо.

Известны также активные методы регулирования теплообмена, например, путем использования электроподогрева пропусканием тока через электропроводные одежды. Применение такого способа ограничено сложностью и высокой стоимостью соответствующего оборудования, а также требованиями техники безопасности.

Действие теплоаккумулирующего материала основано на запасании тепла от постороннего источника при зарядке и медленной разрядке при физиологически допустимых температурах оптимальных для соответствующих частей тела.

Такое действие основано на обратимом фазовом переходе - плавлении и отвердевании вещества. Вследствие скрытой теплоты плавления при нагревании рабочего вещества теплового аккумулятора при температуре плавления происходит запасание тепловой энергии, при остывании до температуры плавления - затвердевание вещества и выделение запасенного тепла. При этом фазовый переход происходит при постоянной температуре, характерной для выбранного вещества. В соответствии с картой температур тела к физиологическим температурам следует отнести (для различных участков тела) температуры от 16 до 36^оС.

Можно сформулировать основные требования к рабочему веществу теплоаккумулирующего материала.

Температура плавления - в интервале физиологических температур.

Высокая величина скрытой теплоты плавления.

Нетоксичность, совместимость с материалами одежды и поверхностью тела.

Практически всем указанным требованиям отвечают парафины.

В таблице приведены справочные данные о температурах плавления и скрытой теплоте плавления ряда парафинов (С₁₆-С₂₀), плавящихся в "физиологическом" интервале температур.

Использование парафинов для теплолечения известно в современной медицине. Наложение кассеты с расплавленным парафином на тело обеспечивает медленный глубокий локальный прогрев нужного участка тела.

Использование парафинов в качестве рабочего тела теплового аккумулятора на фазовых переходах систематически изучено. Обычно теплоаккумулирующие материалы используются в гетерофазных теплообменных процессах, например, при нагреве или охлаждении воздуха. Эта задача и решалась в цитируемой работе.

Автор обнаружил, что при целом ряде положительных свойств парафинов (оптимальный для человека уровень температур фазового перехода, относительно высокая скрытая теплота плавления (см. таблицу) использование парафинов в качестве рабочего тела аккумуляторов тепла осложнено. Дело в том, что в жидком парафине тепло передается относительно хорошо, однако при остывании по периферии объема жидкости образуется и растет пленка твердого парафина с малой теплопроводностью. Поэтому отбор тепла от расплавленного парафина идет с малой скоростью. Чтобы несколько улучшить этот процесс, автор превратил парафин в капсулированные гранулы размером от десятков до сотен микрон. Целостность гранул обеспечивалась стенкой (матрицей) из другого, неплавкого материала (желатин и др. ). При этом, естественно, резко возрастает поверхность раздела фаз и значительно увеличивается теплоотдача от парафина к воздуху. К недостаткам описанной системы относятся:
сложность приготовления капсулированных гранул.

По указанным причинам теплоизолирующий материал на основе парафинов не представляет интереса для целей теплоснабжения и кондиционирования домов.

Целью изобретения является повышение качества теплоаккумулирующего материала. Цель технического решения - использование теплоаккумулирующих материалов на основе парафинов для регулирования поверхностного теплообмена тела. При такой постановке задачи основные недостатки материалов типа парафинов в полимерных матрицах обращаются в их достоинства. Действительно, при коррекции теплообмена на поверхности не требуется интенсивная теплопередача. Главным параметром, определяющим качество теплоаккумулирующего материала, является "время защитного действия" - продолжительность поддержания оптимальной температуры на поверхности. Интенсивная теплоотдача здесь вредна, т. к. не следует нарушать собственную терморегуляцию организма. Следовательно, теплоотдачу от парафина в окружающую среду целесообразно даже замедлить.

Этот эффект достигается: Использованием термоаккумулирующего материала в форме трехмерных элементов, что увеличивает количество рабочего вещества (парафина) на единицу поверхности тела;
использованием в качестве матриц полимерных материалов, содержащих поры малого размера (10^-1-10^-2 см);
использованием в качестве рабочего тела гомогенной смеси двух парафинов: выбранного по оптимальной температуре плавления, изменяющего агрегатное содержание при работе (70-90% масс) и высококипящего, например, с t_пл> 40^оС, быстро затвердевающего и резко снижающего теплообмен в матрице с жидким парафином.

На основании теоретического рассмотрения и экспериментов формулируются требования к матрицам.

Матрица должна быть фильной к жидкому парафину.

Максимально возможный объем пор при преобладании открытой пористости, что необходимо для заполнения матрицы парафином.

Однородная пористость при минимальном радиусе пор.

Указанным требованиям отвечает широкий ряд промышленных газонаполненных полимерных материалов, включая пенорезины, некоторые сорта пенополиуретанов и др.

Такие матрицы хорошо пропитываются жидким парафином, поглощая до 10 г жидкости на 1 г вещества матрицы. Однородная мелкая пористость обеспечивает хорошие физико-химические свойства матрицы и изделия (элемента термоаккумулирующего материала в целом).

Исследования теплофизических свойств предлагаемых материалов выполнены на лабораторной установке. Стандартный образец (элемент) - цилиндp диаметром 40 мм, высотой 50 мм вырезался из листа материала матрицы, например поролона, пропитывался парафином при температуре выше температуры плавления парафина и помещался в измерительную ячейку. Внешняя поверхность цилиндра контактировала со стенкой стеклянного стакана того же диаметра, вмороженного в лед, что обеспечивало постоянную температуру на периферии образца (0^оС). В центр образца погружалась термопара для непрерывной регистрации температуры. В ходе опыта температура в центре образца быстро (5-10 мин) снижается до рабочей (температуры плавления парафина). В большинстве наших опытов таким парафином был гептадекан С₁₇Н₃₆ (t_пл= 22^оС). Затем в течение длительного времени температура в образце остается постоянной (22^оС), после выделения всей скрытой теплоты плавления происходит относительно быстрое охлаждение образца.

Период сохранения в образце заданной рабочей температуры, названный нами "временем защитного действия" является основной величиной, характеризующей работу теплоаккумулирующего материала - элемента одежды. Примеры 1-6 характеризуют влияние состава парафиновой смеси на "время защитного действия" стандартного элемента из теплоаккумулирующего материала. Во всех примерах использована навеска парафина С₁₇Н₃₆ (t_пл= 22^оС), в которой запасается при плавлении 2400 кал.

Таким образом, отличительными признаками предлагаемого материала является использование в качестве рабочего тела парафина с температурой плавления +16- +36^оС, а в качестве матрицы пористых эластичных материалов с размером пор 0,05-0,5 мм, при этом к низкоплавкому парафину добавляют 10-30% высокоплавкого (выше 40^оС) парафина.

Такая совокупность признаков не известна из уровня техники, обеспечивает длительное поддержание температуры поверхности тела и может быть классифицирована как "существенные отличия".

П р и м е р 1. Это сравнительный опыт, в котором измерена скорость охлаждения навески (60 г парафина) в стеклянном стаканчике 40 мм. Вследствие относительно хорошей теплопередачи в жидком парафине скорость охлаждения велика и "время защитного действия" составляет от 5 до 10 мин.

П р и м е р 2. Цилиндрический образец ⊘ 40 мм и высотой 50 мм из пенопласта ППМ-205-5 с кажущейся плотностью 40-50 кг/м³ с мелкой однородной открутоячеистой структурой пропитывался 60 г парафина С₁₇Н₃₆. Образец помещался в описанную выше ячейку и замерялась температурная кривая его охлаждения. "Время защитного действия" составляет в этом случае 20 мин. Его увеличение следует приписать снижению скорости охлаждения парафина при помещении его в ячейки матрицы.

П р и м е р 3. Выполняется аналогично примеру 2, но в качестве матрицы использована пористая резина с размером пор не более 0,4 мм. "Время защитного действия" составляет 30 мин.

П р и м е р 4. Выполняется аналогично примеру 2, но в матрицу вводится пропиткой при температуре 55^оС смесь двух парафинов: рабочего С₁₇Н₃₆ с t_пл= 22^oС и высокоплавкого С₂₄Н₅₀ с t_пл= 50,6^оС. При использовании этой смеси в соотношении 90% масс. Парафина С₁₇ и 10 мас. % парафина С₂₄ "время защитного действия" увеличивается до 40 мин.

П р и м е р 5. Выполняется аналогично примеру 4, но соотношение соответствующих парафинов 70: 30 (парафин С₁₇-70 мас. % . , парафин С₂₄-30 мас. % ). "Время защитного действия" составляет 60 мин.

П р и м е р 6. Выполняется аналогично примеру 5, но в качестве матрицы использована пористая резина (см. пример 3). Такое сочетание матрицы и композиции парафиновой смеси обеспечивает увеличение "времени защитного действия" до 120 мин.

Таким образом, подбор композиции парафинов и пористой структуры матрицы обеспечивает весьма эффективное увеличение времени удерживания тепла в теплоизолирующем элементе одежды. Приведенные данные модельных опытов могут быть использованы для расчетов реального "времени защитного действия" теплоизолирующих материалов одежды в условиях теплообмена с телом и внешней средой. При этом, как правило, рабочая температура теплоаккумулятора выбирается несколько ниже температуры соответствующего участка тела, а потери тепла во внешнюю среду одежда ограничивает (на несколько порядков по сравнению с условиями модельных опытов в примерах 1-6). Реальное "время защитного действия" теплоаккумулирующих элементов будет измеряться в часах и можно сконструировать одежду, эффективно защищающую от погодного дискомфорта в течение, например, рабочего дня.

Практически использование теплоизолирующей одежды требует постороннего источника тепла для зарядки. Таким источником тепла может служить любое устройство, обеспечивающее получение температуры выше температуры плавления данного парафина. Поскольку речь идет о парафинах с температурами плавления близкими к "физиологическим" (16-36^оС), то таких источников тепла практически в любом доме достаточно. Это могут быть батарея парового (водяного) отопления, печь, электронагреватели. Время подогрева подбирается для каждого изделия отдельно, исходя из его размеров и формы.

Выбранный интервал параметров определяется следующими соображениями.

Температура плавления парафина определяется оптимальными температурами основных теплопередающих участков тела.

Выбор в качестве матриц эластичных полимеров определяется тем, что эти материалы характеризуются открытой поровой структурой, доступной для парафина.

Выбор доли тяжелого (t_пл 50^оС) парафина в смеси (10-30% определяется тем, что в этом интервале составов наблюдается наиболее значительное повышение "времени защитного действия". При меньшем количестве высокоплавкого парафина его эффект слабо выражен, при большей доле - замедления остывания не происходит из-за снижения количества рабочего (низкоплавкого) парафина в пробе.

(56) Manchini N. A. Use of parafins for thermal Storage. International TNO Symposium "Thermal Storage of salare energy". Amsterdam, novembre 1980.

Использование: в средствах индивидуальной защиты. Сущность изобретения: теплоаккумулирующий материал в виде полимерной оболочки и наполнителя из парафина. В качестве наполнителя используют низкоплавкий парафин из ряда C₁₇H₃₆-C₂₀H₄₂ с температурой плавления от 16,7 до 36,7С, в качестве полимерной оболочки - пористый материал. 1 з. п. ф-лы, 1 табл.

1. ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ в виде полимерной оболочки и наполнителя из парафина, отличающийся тем, что, с целью повышения его качества, в качестве наполнителя используют низкоплавкий парафин из ряда С₁₆Н₃₆ - С₂₀Н₄₂ с температурой плавления 16,7 - 36,7^oС, а в качестве полимерной оболочки - пористый материал. 2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что, с целью снижения скорости охлаждения, наполнитель дополнительно содержит высокоплавкий парафин с температурой плавления более 40^oС, при этом соотношение компонентов парафинов из ряда С₁₆Н₃₆ С₂₀Н₄₂ и высокоплавкого парафина составляет 70/30 - 90/10 мас. ч.