Спосіб підвищення теплоємності та теплоакумулюючої здатності бетонів та будівельних розчинів

Власники патенту UA 2562633:

Винахід відноситься до галузі виробництва будівельних матеріалів і може бути використане для підвищення питомої теплоємності та теплоакумулюючої здатності бетонів та будівельних розчинів. Спосіб підвищення теплоємності та теплоакумулюючої здатності бетонів і будівельних розчинів включає додаткове введення до основних компонентів на стадії приготування бетонної або розчинової суміші теплоакумулюючого капсульованого заповнювача, зокрема теплоємного заповнювача у формі капсул, що містять теплоакумулюючу речовину в міцній його хімічно стійкій оболонці. Як теплоакумулюючу речовину використовують стоки афінажного виробництва, при цьому зазначений заповнювач вводять у кількості від 10 до 90% обсягу. Технічний результат - підвищення питомої теплоємності та теплоакумулюючої здатності бетонів та будівельних розчинів для забезпечення підвищення енергоефективності будівельних об'єктів, що експлуатуються у широкому діапазоні температур, включаючи негативні значення, утилізація відходів. 1 іл., 4 табл., 2 ін.

Недоліком відомого аналога є складний хімічний склад та технологічний процес виробництва матеріалів, незначне підвищення питомої теплоємності, а також обмежена сфера його застосування, обумовлена обмеженням сировинної бази за складом та можливістю отримання теплоємних матеріалів на основі талькомагнезиту, що свідчить про те, що спосіб не є універсальним .

Однак для оцінки тапідвищення енергоефективності будівельних об'єктів важливо враховувати такі теплотехнічні характеристики, як теплоємність, і теплоакумулюючу здатність будівельних матеріалів. Зокрема застосування матеріалів з високою теплоємністю і високою теплоакумулюючою здатністю дозволяє уповільнити зміну температури конструкції протягом періоду часу зі зміною температури навколишнього середовища. Таким чином, можна зменшити амплітуду коливання температури конструкції із забезпеченням зсуву фаз пікових значень температури протягом, наприклад, нічного і денного часу доби. Даний ефект з економічною доцільністю може бути використаний у зовнішніх та внутрішніх огороджувальних конструкціях за наявності автоматизованої системи опалення, а також у підлогах з підігрівом та конструкціях промислових холодильників з урахуванням того, що собівартість електроенергії в періоди часу з мінімальним навантаженням мережі (як правило, нічні) нижча.

Недоліком прототипу є обмежена область застосування теплоакумулюючих матеріалів, отриманих відомим за прототипом способом, у зв'язку з тим, що наявність у матеріалі парафінових мікрокапсул забезпечує теплоакумулюючий ефект до 200 Дж/г за рахунок плавлення парафіну в діапазоні температур від 22°C до 28°C, що обумовлює доцільне їх використання у регіонах із теплим кліматом.

Завданням винаходу є отримання теплоємних і теплоакумулюючих бетонів та будівельних розчинів для підвищення енергоефективності будівельних об'єктів, що експлуатуються в широкому діапазоні температур, включаючи негативні значення.

Для вирішення поставленого завдання у способі підвищення теплоємності та теплоакумулюючої здатності бетонів та будівельних розчинів шляхомдодаткового введення до основних компонентів на стадії приготування бетонної або розчинової суміші теплоакумулюючого капсульованого заповнювача, зокрема теплоємного заповнювача у формі капсул, що містять теплоакумулюючу речовину в міцній хімічно стійкій оболонці з можливістю температурної зміни його об'єму, згідно винаходу в ньому використовують капсульований заповнювач зі стоками , що мають більшу питому теплоємність, ніж у звичайного бетону, причому капсульований заповнювач вводять у кількості від 10% до 90% обсягу.

Крім того, як теплоакумулююча речовина в капсульованому заповнювачі може бути використана вода або сольові розчини, також підвищують теплоємність і теплоакумулюючу здатність бетонів і будівельних розчинів. До того ж, доцільно використання капсульованого заповнювача із сольовими розчинами, теплоємність та агрегатний стан яких не змінюється при негативних температурах, на відміну від інших рідких матеріалів.

Введення до складу бетонної або розчинової суміші капсульованого заповнювача з будь-якою зазначеною рідкою високотепломісткою речовиною на стадії приготування сумішей призводить до підвищення питомої теплоємності та теплоакумулюючої здатності бетонів та будівельних розчинів.

На практиці теплоємність інкапсульованого заповнювача цементних бетонів можна змінювати в значних межах і при цьому використовувати матеріали з фазовим станом, що змінюється, дуже перспективних з позиції енергозбереження і енергоефективності. Ефективність застосування таких матеріалів оцінюється величиною прихованої енергії, що виділяється або поглинається в процесі кристалізації, плавлення, випаровування та конденсації.

Склади бетонів зазвичай розраховують заабсолютним обсягом. Розрахункову величину щільності бетону ρ, що містить менш щільний заповнювач, що має значно більшу теплоємність (інкапсульована вода та її сольові розчини), можна визначити як суму щільностей розчинної частини і заповнювача, помножених на відповідні частки їх вмісту в 1 м 3 бетону:

де ρm - щільність затверділої розчинної частини бетону, в якій розподілено заповнювач; ρL - густина теплоємного заповнювача; φm – об'ємна частка розчинної частини в бетоні.

Таким чином, знаючи розрахункову щільність бетону, теплоємності розчинної частини cm і заповнювача cL, загальну теплоємність системи C можна розрахувати за формулою:

В даному випадку щільністю та теплоємністю капсули нехтуємо.

Приклади реалізації способів отримання теплоємних і теплоакумулюючих бетонів і будівельних розчинів засновані на тому, що на стадії приготування бетонної або розчинової суміші вводиться заповнювач із високотепломісткої речовини, укладеної в капсули з міцною та хімічно стійкою оболонкою, наприклад полімеру.

Отримані результати зведені в наступні таблиці: таблиця 1 - теплофізичні властивості бетонів з матрицею важкого бетону та інкапсульованою водою; таблиця 2 - теплофізичні властивості бетонів з матрицею з легкого бетону та інкапсульованою водою; таблиця 3 - теплофізичні властивості бетонів з інкапсульованим сольовим розчином щільністю 1,28 кг/м 3 ; таблиця 4 - теплофізичні властивості бетонів з інкапсульованим сольовим розчином густиною 1,38 кг/м 3 .

Приклад 1. Як відома високотеплоємна речовина використана вода (питома теплоємність 4,2 кДж/кг°C і теплоакумулююча здатність (ΔH - ентальпія фазового переходу) до 333 Дж/г при н.у.) або її сольові розчини.

Згідно з наведеним виразом (2) та таблицею 1, що відображає залежність теплофізичних властивостей бетону від об'ємного вмісту заповнювача, слід, що наявність капсульованого високотеплоємного заповнювача з водою в об'ємі від 10 до 90% в 1 м 3 бетону з матрицею з важкого бетону дозволяє підвищити теплоємність системи у 4,7 рази, а теплоакумулюючий ефект, що характеризується величиною ентальпії фазового переходу, до 300 Дж/г за рахунок кристалізації води або плавлення льоду при температурі близько 0°C.