METODE INOVATIVE PENTRU CRESTEREA PROPRIETATILOR DE STOCARE A ENERGIEI TERMICE LA TEMPERATURI RIDICATE A MATERIALELOR CU SCHIMBARE DE FAZA PO: Competitivitate Axa prioritară 1: Cercetare, dezvoltare tehnologică și inovare (CDI) în sprijinul competitivității economice și dezvoltării afacerilor Acțiunea: 1.1.4 Atragerea de personal cu competențe avansate din străinătate pentru consolidarea capacității CD BENEFICIAR: INSTITUTUL NAȚIONAL DE CERCETARE- DEZVOLTARE PENTRU METALE NEFEROASE ȘI RARE IMNR ID: P_37_776 MySMIS: 104730 Nr. contract: 93/09.09.2016 Titlul proiectului: Metode inovative pentru creșterea proprietăților de stocare a energiei termice la temperaturi ridicate a materialelor cu schimbare de fază ENERHIGH Bază de date up-gradata privind proprietatile termice ale capsulelor PCM / invelis
CUPRINS 1. Introducere... 3 2. Organizarea bazei de date... 3 Baza de date cuprinde in acest moment doua sectiuni.... 3 - Microcapsule pe baza de perlita expandata (PE) si NaNO 3;... 3 - Microcapsule pe baza de NaNO 3 şi PHPS.... 3 - Microcapsule pe baza de aliaj eutectic AlSi si Al 2O 3.... 3 - Materiale PCM pe baza de KNO3 incapsulate prin metode hidrotermale urmata de spray drying.... 3 - Materiale PCM incapsulate prin metode hidrolitice de tip sol-gel.... 3 2
BAZĂ DE DATE DE TIP OPEN ACCESS PRIVIND PROPRIETATILE TERMICE ALE CAPSULELOR PCM / INVELIS 1. Introducere Proiectul ENERHIGH are ca unul din obiective crearea premiselor pentru un transfer de cunostinte cat mai larg catre potentialii utilizatori ai materialelor PCM micro-incapsulate de temperaturi ridicate. In acest scop in proiect a fost prevazuta o upgradare permanenta a bazei de date open-access, pe masura ce noi experimente sunt realizate si noi date privind temperaturile si efectele termice ale acestora sunt generate. Prezentul raport contine in consecinta extinderea primei baze de date de date tip open access privind proprietatile termice ale materialelor cu schimbare de faza incapsulate, destinate utlizarii in domeniul de temperatura 300-500 0 C cu noi valori experimentale. obtinute prin prelucrarea rezultatelor experimentale din activitatile de cercetare industriala in cadrul proiectului in perioada raportata. Baza va fi extinsa si upgradata periodic pe masura derularii activitatilor de cercetare industriala conform planului de lucru din cererea de finantare, cu termen de finalizare luna 19 a proiectului. 2. Organizarea bazei de date Baza de date cuprinde in acest moment doua sectiuni. 1) Date privind proprietatile termice ale unor materiale PCM micro-incapsulate extrase din analiza literaturii de specialitate, cu trimitere la referinta initiala. Pana la acest moment sunt incluse date privind sistemele: - Microcapsule pe baza de perlita expandata (PE) si NaNO3; - Microcapsule pe baza de NaNO3 şi PHPS. - Microcapsule pe baza de aliaj eutectic AlSi si Al2O3. 2) Date privind proprietatile termice ale unor materiale PCM micro-incapsulate realizate in cadrul proiectului: - Materiale PCM pe baza de KNO3 incapsulate prin metode hidrotermale urmata de spray drying. S-au adaugat date noi privind durabilitartea micro-capsulelor ca rezultat al testarilor efectuate prin calorimetrie cu scanare diferentiala pe un numar de cicluri mult mai mare (pana la 77 cicluri). - Materiale PCM incapsulate prin metode hidrolitice de tip sol-gel. - Materiale PCM impregnate prin metode hidrotermale in spume ice macroporoase. -Materiale PCM impregnate prin metode hidrotermale in matrice de SiO2. Aceste rezultate au fost obtinute in experimentari realizate in cadrul studiilor proprii ale IMNR. Rezultatele obtiunte prin studiul datelor din literatura de specialitate si cele originale sunt prezentate in tabelul de mai jos, baza de date prezentand comparativ valorile temperaturilor de topire (Tm) si cristalizare (Tcr) precum si entalpiile de topire (ΔHm) si cristalizare ΔHcr), marimi esentiale in aplicatiile de temperaturi in domeniul propus. Metoda de analiza a acestor proprietati are la baza calorimetria cu scanare diferentiala (DSC). 3
Tabel 1. Baza de date privind proprietatile termice ale unor materiale PCM incapsulate in diverse invelisuri Material PCM Material de încapsulare / raport NaNO3-EP 1 NaNO3-EP =9:1 NaNO3-EP 1 NaNO3-EP =4:1 NaNO3-EP 1 NaNO3-EP =3:2 NaNO3-EP 1 NaNO3-EP =2:3 MCP-NaNO3 2 MCP-NaNO3 (microcapsule de NaNO3) AS-EnM-5 3 AlSi euctectic/al2o3 5 cicluri AS-EnM-10 3 AlSi euctectic/al2o3 10 cicluri Metoda de micro-încapsulare Tm ( 0 C) ΔHm (J/g) Tcr ( 0 C) ΔHcr (J/g) DATE DIN LITERATURA DE SPECIALITATE Amestecare și topire mecanică prin metoda 305.2 157.4 304.1-153.4 Amestecare și topire mecanică prin metoda 303.3 139.2 302.6-132.1 Amestecare și topire mecanică prin metoda 302.4 100.4 300.3-94.4 Amestecare și topire mecanică prin metoda 300.4 76.8 296.3-71.4 Metoda extracției cu solvent și dispersie cu 306.19±0.10 159.2±2.4 300.44±0.41 154.1±3.7 ultrasunete, folosind ca înveliș o rășină ceramică PHPS (perhzdropolysilazane) 309.31 288.25 1 R. Li, J. Zhu, W. Zhou, X. Cheng, Y. Li, Thermal compatibilitz of Sofium Nitrate/Expanded Perlite composite phase change materials, Applied Thermal Engineering, 103 (2016) pag. 452-458. 2 J. Li, W. Lu, Z Luo, Y. Zeng, Synthesis and thermal properties of novel sodium nitrate microcapsules for high-temperature thermal energy storage, Solar Energy Material & Solar Cells, 159 (2017), pag. 440-446 3 F. He, G. Song, X. He, C. Sui, M. Li, Structural and phase change characteristics of inorganic microencapsulated core/shell Al-Si/Al 2O 3 micro-particles during thermal czcling, Ceramics International 41 (2015), pag 10689-10696 4
AS-EnM-15 3 AlSi euctectic/al2o3 15 cicluri AS-EnM-20 3 AlSi euctectic/al2o3 20 cicluri 282.20 271.90 REZULTATE PROPRII ENERHIGH KNO3-ZnO ZnO:KNO3=2:1 Sinteza hidrotermală în mediu alcalin la 110 C 353.7 8.67 318.7 41.17 KNO3-ZnO ZnO:KNO3=5:1 Sinteza hidrotermală în mediu alcalin la 110 C 328.5 38.62 312.6 47.97 KNO3-ZnO ZnO:KNO3=5:1 Sinteza hidrotermală în mediu neutru la 200 C 335.8 7.11 311.0 5.83 KNO3-ZnO ZnO:KNO3=5:1 Sinteza hidrotermală în mediu alcalin la 200 C 337.5 67.97 323.6 68.16 NaNO3-SiO2 NaNO3-SiO2 =1:1 Sinteza hidrolitica în mediu alcalin, precursor 218.9 20.12 226.95 24.87 TEOS NaNO3-SiO2 NaNO3-SiO2 =1:1 Hidroliză în mediu acid, precursor TEOS, 303.77 127.74 270.18 80.27 surfactant SDS NaNO3-SiO2 NaNO3-SiO2 =1:1 Hidroliză în mediu acid, precursor TEOS, 299.31 63.00 255.12 6.48 surfactant -Tween 20 NaNO3-SiO2 NaNO3-SiO2 =1:1 Hidroliză în mediu acid, precursor TEOS, 304.96 126.76 278.59 65.88 surfactant SDS NaNO3-SiO2 =1:2 Ciclu 1 277.6 1.606 274.9-21.13 Ciclu 2 276.4 0.6933 274.2-20.18 Ciclu 3 276.2 0.651 273.5-20.75 Ciclu 4 276.1 0.6543 273.9-19.22 NaNO3-SiO2 Ciclu 5 Sinteza hidrotermală în mediu alcalin la 200 C 276.1 0.6147 273.7-19.97 Ciclu 6 276.2 0.5814 272.9-19.7 Ciclu 7 276.1 0.6192 272.8-20.51 Ciclu 8 276.1 0.5923 272.8-19.38 Ciclu 9 276 0.6132 272.2-19.35 Ciclu 10 276.2 0.5155 272.5-19.48 AlSi5.7-ZnO ZnO: AlSi = 5:1 Sinteza hidrotermală în mediu alcalin la 200 C 578.4 19.18 558.9 19.84 5
KNO3-ZnO ZnO: KNO3 = 3:1 Ciclu 1 Sinteza hidrotermala in mediu alcalin la 200 C 328.04 72.95 335.95-68.08 Ciclu 2 Ttopire = -169.83 x 2 + 849.1 x 679.37 0 C 327.80 69.42 333.39-69.02 Ciclu 3 327.65 70.43 333.03-70.94 Ciclu 4 Tcristalizare = - 157.73 x 2 + 788.55 x 630.72 0 C 327.67 72.78 333.06-71.65 Ciclu 5 327.70 75.10 332.66-76.89 Ciclu 14 ΔHtopire = - 13.78 x 3 + 133.78 x 2 424.97 x+ 333.08 62.87 327.45-63.04 Ciclu 17 517.75 [J/g] 327.37 78.81 334.00-77.53 Ciclu 26 ΔHcristalizare = 0.14 x 3-34.35 x 2 + 234.99 x 334.43 59.57 327.38-59.68 Ciclu 39 333.7 [j/g] 335.88 55.79 326.61-56.59 Ciclu 51 337.94 50.18 325.93-51.01 Ciclu 64 x-raportul gravimetric ZnO:KNO3 339.19 47.90 325.38-48.65 Ciclu 77 340.04 46.81 324.72-45.67 110%NaNO3 Sinteza hidrotermală în mediu neutru la 150 C 315,8 167,9 295,2-169,2 120%NaNO3 Sinteza hidrotermală în mediu neutru la 100 C 120%NaNO3 Sinteza hidrotermală în mediu neutru la 150 C 315,8 185,9 293,2-184 314,9 136,5 295,9-137,8 120%NaNO3 Ciclu 1 323.3 183.5 288.3-170.9 Ciclu 2 326.2 181.1 287.5-172.4 Ciclu 3 325.5 181.9 287.7-171.8 Ciclu 4 324.4 181.7 287.7-173.6 Ciclu 5 323.6 182.2 287.8-174.3 Ciclu 6 Sinteza hidrotermală în mediu neutru la 150 C 324.9 182.3 287.8-173.7 Ciclu 7 324 181.5 288.1-173.7 Ciclu 8 324.6 179.9 288.2-174 Ciclu 9 322.9 179.1 288.2-172.2 Ciclu 10 323.4 182.1 288.6-174.4 Ciclu 11 322.5 179.1 288.8-175 Ciclu 12 322.6 178.8 288.8-172.7 6
AlSi-ZnO Ciclu 13 323. 176.9 288.5-170.5 Ciclu 14 322.3 176.3 288.6-169.9 Ciclu 15 321.3 175.7 288.6-168.9 ZnO: AlSi = 5:1 Ciclu 1 Sinteza hidrotermală în mediu alcalin la 200 C 571.67 12.08 Ciclu 2 571.46 7.02 7