ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩИЙ СОСТАВ Российский патент 2002 года по МПК C09K5/06 

Изобретение относится к области переохлаждаемых теплоаккумулирующих материалов, обладающих скрытой теплотой фазового перехода жидкость - твердое, которые могут применяться для защиты человека от переохлаждения при длительном выполнении работ в условиях воздействия холода, при занятиях спортом, туризмом, альпинизмом, а также использоваться в медицинских грелках и компрессах. Схематично грелка состоит из емкости с теплоаккумулирующим материалом и устройства для инициации процесса кристаллизации.

Известны составы фазопереходных материалов, содержащие смесь солей азотистой и азотной кислот: нитрит натрия, нитрат натрия и нитрат калия (Une V. W. , Voznick H. P. Molten salt as a heat transfer medium. Chemical Engin. Progress. 1963, v.59, 5, p.35). Недостатком таких составов является незначительная удельная теплота фазового перехода 81,4 кДж/кг при высокой (142^oС) температуре плавления, что ограничивает их практическое применение.

Для снижения температуры плавления до 124-130^oС и повышения энергоемкости до 126-130 кДж/кг в вышеуказанные смеси дополнительно вводят до 10 мас. % ацетата натрия (а.с. СССР 1733461, С 09 К 5/06, 1990). К недостаткам таких составов относится то, что при температурах, близких к 0^oС, происходит процесс неинициированной кристаллизации, сопровождающийся самопроизвольным выделением тепла.

Наибольшее применение получил теплоаккумулирующий материал на основе ацетата натрия в виде тригидрата (GB 2134532, 1984), его пересыщенные растворы, дополнительно содержащие гелеобразователь, могут охлаждаться ниже 0^oС, сохраняя при этом запас скрытой энергии. К недостаткам тригидрата ацетата натрия можно отнести все же недостаточно низкую температуру произвольной кристаллизации, т. к. работоспособность тепловыделяющих изделий во многих практических случаях должна сохраняться и при температурах ниже -20^oС. Вторым недостатком является значительный, до 58^oС, нагрев в начальной стадии кристаллизации, что может привести к ожогам.

Для медицинских целей используют составы, обладающие фазовым переходом при температуре, близкой к температуре человеческого тела. Известны фазопереходные материалы с температурой перехода 36-42^oС, представляющие смесь тригидрата ацетата натрия с мочевиной или с пентагидратом тиосульфата натрия (заявка PCT/RU 99/00294 от 13.08.99).

К основному недостатку этих составов, как и в предыдущих случаях, относится недостаточная стабильность переохлажденного состояния.

Известен переохлаждаемый теплоаккумулирующий материал (SU 1833404, С 09 К 5/06, бюл. 29, 1993), состоящий из тригидрата ацетата натрия и желатина в качестве гелеобразователя при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
Тригидрат ацетата натрия - 97,5-99,95
Желатин - 2,5-0,05
Энергоемкость такого материала составляет 260 кДж/кг, при этом допускается его переохлаждение до температуры минус 18^oС.

Основным недостатком указанного материала является недостаточно низкая температура самопроизвольной кристаллизации, т.к. в реальных погодных условиях и в условиях чрезвычайных ситуаций потребительские требования к надежности тепловыделяющих материалов диктуют гарантию работоспособности при температурах минус 35-40^oС. Обращает на себя внимание, что достигаемый эффект приписывается гелеобразующему свойству желатина, тогда как в упомянутой ранее заявке PCT/RU 99/00294 было указано на прямо противоположное воздействие гелеобразователя как инициатора процесса кристаллизации. Очевидно, что в присутствии ацетата натрия желатин проявляет более общее свойство модификатора процесса кристаллизации. Последнее обстоятельство подтверждает тот факт, что при замене желатина известными пластификаторами, такими как парафин или воск, характеристики теплоаккумулирующего материала практически не изменяются.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является состав (ЕР 0049092 А1, 07.04.1982) (прототип), включающий фазопереходный материал - тригидрат ацетата натрия и модификатор кристаллизации - декагидрат гипофосфата натрия при соотношении компонентов, мас.%:
CH₃COONa•3H₂O - Не менее 60
Na₄P₂O₇•10H₂O - Не более 40
Следует отметить, что практическое значение имеют составы с концентрацией декагидрата гипофосфата натрия в пределах 1-10 мас.%, т.к. при его содержании менее 1 мас.% не обеспечивается требуемый предел температуры произвольной кристаллизации, а при концентрациях более 10 мас.% наблюдается образование в растворе твердых гелей, что усложняет на практике инициацию кристаллизации и снижает энергоемкость состава.

К недостатку состава по прототипу относится высокая температура фазового перехода во всех интервалах его практического применения, что препятствует его использованию в грелках и компрессах медицинского назначения из-за риска нанесения ожогов. Так, для состава, мас.%:
CH₃COONa•3H₂O - 99
Na₄P₂O₇•10H₂O - 1
температура фазового перехода составляет 58^oС, при этом допускается его переохлаждение до температуры минус 35^oС, а для состава, мас.%:
CH₃COONa•3H₂O - 90
Na₄P₂O₇•10H₂O - 10
температура фазового перехода составляет 60^oС при допустимом переохлаждении до температуры минус 40^oС.

Целью предлагаемого изобретения является оптимизация состава для грелок и компрессов медицинского назначения путем снижения температуры фазового перехода вплоть до 48-50^oС, что предотвращает ожоги тела при сохранении температуры самопроизвольной или неинициированной кристаллизации теплоаккумулирующего состава в пределах минус 35 - минус 40^oС, что обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики.

Поставленная цель достигается тем, что предлагается теплоаккумулирующий состав, включающий 90-99 мас.% фазопереходного материала, содержащего тригидрат ацетата натрия и 1-10 мас.% модификатора кристаллизации - декагидрата гипофосфата натрия, отличающийся тем, что в качестве фазопереходного материала он содержит смесь тригидрата ацетата натрия с дигидратом ацетата лития при следующем соотношении, мас.%:
CH₃COONa•3H₂O - 90-99
CH₃COOLi•2H₂O - 1-10
либо смесь тригидрата ацетата натрия с тетрагидратом диацетата магния при следующем соотношении, мас.%:
CH₃COONa•3H₂O - 85-95
(CH₃COO)₂Mg•4H₂O - 5-15
Теплоаккумулирующий состав готовят путем плавления фазопереходного материала, после чего в расплав добавляют порошок декагидрата гипофосфата натрия, полученную смесь помещают в емкость грелки, снабженную устройством для инициации кристаллизации. После охлаждения теплоаккумулятор готов к работе.

Выбор концентраций дигидрата ацетата лития и тетрагидрата диацетата магния обусловлен тем, что их содержание менее заявляемых значений не обеспечивает снижения температуры фазового перехода по сравнению с чистым тригидратом ацетата натрия, а при концентрациях более чем 10 и 15 мас.% соответственно наблюдается заметное уменьшение энергоемкости, что снижает время эксплуатации грелок и компрессов.

Ниже приведены примеры наилучших вариантов предлагаемого теплоаккумулирующего состава.

Пример 1. Состав, мас.%:
CH₃COONa•3H₂O - 85
CH₃COOLi•2H₂O - 8
Na₄P₂O₇•10H₂O - 7
Энергоемкость такого материала составляет 264,5 кДж/кг, при этом допускается его переохлаждение до температуры минус 40^oС. Температура фазового перехода данного состава 50^oС.

Пример 2. Состав, мас.%:
CH₃COONa•3H₂O - 90
(CH₃COO)₂Mg•4H₂O - 7
Na₄P₂O₇•10H₂O - 3
Энергоемкость такого материала составляет 176-183 кДж/кг, при этом допускается его переохлаждение до температуры минус 35^oС. Температура фазового перехода данного состава 48^oС.

Изобретение относится к области переохлаждаемых теплоаккумулирующих материалов, обладающих скрытой теплотой фазового перехода жидкость - твердое, которые могут применяться для защиты человека от переохлаждения при длительном выполнении работ в условиях воздействия холода, а также использоваться в медицинских грелках и компрессах. Теплоаккумулирующий состав включает 90-99 мас.% фазопереходного материала, содержащего тригидрат ацетата натрия и 1-10 мас.% модификатора кристаллизации - декагидрата гипофосфата натрия, причем в качестве фазопереходного материала он содержит смесь тригидрата ацетата натрия с дигидратом ацетата лития при следующем соотношении, мас.%: CH₃COONa•3Н₂О 90-99; СН₃СОOLi•2Н₂О 1-10, либо смесь тригидрата ацетата натрия с тетрагидратом диацетата магния при следующем соотношении, мас.%: СН₃СОONа•3Н₂О 85-95; (СН₃СОО)₂Мg•4Н₂O 5-15. Температуры фазовых переходов предложенных составов снижаются вплоть до 48-50^oС, что предотвращает ожоги тела, а температуры самопроизвольной или неинициированной кристаллизации лежат в пределах (-35) - (-40)^oС, что обеспечивает высокие эксплуатационные характеристики.

Теплоаккумулирующий состав, включающий 90-99 мас. % фазопереходного материала, содержащего тригидрат ацетата натрия и 1-10 мас. % модификатора кристаллизации - декагидрата гипофосфата натрия, отличающийся тем, что в качестве фазопереходного материала он содержит смесь тригидрата ацетата натрия с дигидратом ацетата лития при. следующем соотношении, мас. %:
CH₃COONa•3Н₂О - 90-99
СН₃СООLi•2Н₂О - 1-10
либо смесь тригидрата ацетата натрия с тетрагидратом диацетата магния при следующем соотношении, мас. %:
СН₃СООNа•3Н₂О - 85-95
(СН₃СОО)₂Мg•4Н₂O - 5-15