Модельные эксперименты по изучению энергосберегающих и терморегулирующих свойств разработанных материалов и покрытий

"В отчете представлены результаты исследований, выполненных в 2024 году по проекту «Функциональные композиты на основе фазово-переходных материалов для энергосберегающих покрытий с активной терморегуляцией» (шифр «FSZE-2022-0001») в рамках Государственного задания № 075-00006-24-01 от 08.02.2024. Объект исследования — функциональные композитные структуры на основе органических фазово-переходных материалов, клатратных и неклатратных гидратов. Цель работы — изучение научных основ разработки функциональных терморегулирующих композитов, содержащих фазово-переходные материалы, клатратные и неклатратные гидраты, и создание новых энергоэффективных материалов и покрытий на их основе. Методология проведения работы — синтез новых функциональных терморегулирующих композитов на основе органических фазово-переходных материалов, клатратных и неклатратных гидратов; изучение их стабильности, физико-химических и теплофизических свойств. Результаты работы и их новизна. В ходе выполнения третьего этапа Проекта были проведены модельные эксперименты по изучению терморегулирующих свойств разработанных энергосберегающих материалов и покрытий, содержащих функциональные добавки на основе фазово-переходных материалов, на лабораторных макетах, имитирующих условия их практического применения, и получены следующие новые результаты: 1) Получены образцы энергосберегающих покрытий на основе двухкомпонентных лакокрасочных материалов, содержащие инкапсулированный эйкозан в качестве функциональной добавки. Проведено исследование их терморегулирующих и структурных свойств; 2) Разработан лабораторный макет, имитирующий резервуар РВС-5000 c предохранительным клапаном давления/снятия вакуума, и проведено изучение влияния энергосберегающего покрытия на температуру нагрева жидкой и парогазовой фазы модельного нефтепродукта в продолжительном модельном эксперименте. Установлено, что использование энергосберегающего покрытия позволяет снизить температуру парогазовой фазы на 1,5–2 °С по сравнению с контрольным макетом; 3) На основе данных, полученных в модельном эксперименте, была предложена математическая модель для оценки влияния энергосберегающего покрытия на температуру паров углеводородов в газовоздушной среде и возможности сокращения величины потерь углеводородов в следствие «малых дыханий» резервуара РВС-5000 с жидкими углеводородами в различных климатических зонах России. Согласно результатам расчётов, применение энергосберегающего покрытия, содержащего инкапсулированный эйкозан, может привести к уменьшению потерь от 1,79 до 2,76 % в зависимости от климатической зоны, с наибольшей эффективностью в умеренно тёплой; 4) Поучены образцы энергосберегающих покрытий на основе гипсовой штукатурной смеси, содержащей композитные функциональные добавки в виде биополимерных волокон с адсорбированным эйкозаном. Проведено изучение их состава, терморегулирующих свойств и влияния добавки на динамику нагрева и охлаждения штукатурных слоёв при различных конфигурациях нагрева; 5) Разработан лабораторный макет, имитирующий помещение с оштукатуренными стенами, потолком и полом, и проведено изучение влияния энергосберегающего покрытия на динамику нагрева и охлаждения воздушного пространства внутри макета. Установлено, что поглощение тепловой энергии в штукатурных слоях приводит к уменьшению температуры воздуха в процессе нагрева, а выделение тепловой энергии в процессе охлаждения приводит к ее увеличению; 6) Проведены эксперименты по изучению возможности применения композитных фазово-переходных материалов на основе клатратных гидратов природного газа в качестве аккумуляторов тепловой энергии. Показано, что введение в систему мочевины и полимера на основе винилкапролактама позволяет варьировать температуру начала выделения тепла за счет образования гидрата от +12,4 до -6,5°С. Температуру, при которой происходит поглощение тепла, при этом можно регулировать давлением газа в системе в диапазоне от -3 до +20°С. Кроме того, установлено, что одновременное применение вставок из фторированных полимеров в реакторе и экологически нейтральных гуминовых кислот с контролем водородного показателя pH водного раствора позволяет с высокой эффективностью запасать тепловую энергию при температуре 6±1°С. Область применения результатов. Получение стабильных фазово-переходных композитных структур является первым шагом на пути реализации комплексного подхода к повышению сохранности качества нефтепродуктов с помощью разработки новых активных терморегулирующих материалов для покрытия резервуаров хранения, позволяющих сглаживать влияние среднесуточных перепадов температуры окружающей среды на испарение и конденсацию хранимых нефтепродуктов. Экономическая эффективность или значимость работы. Обеспечение сохранности качества нефтепродуктов и минимизации потерь от испарения при хранении несет непосредственную экономическую и экологическую выгоду. В более широком смысле, использование новых энергоэффективных материалов при строительстве зданий и отделке помещений также позволит снизить суточные колебания температуры и поддерживать комфортный температурный режим при меньшем потреблении энергии и расходе ресурсов, в том числе углеводородного топлива, на отопление и охлаждение. Применение новых аккумуляторов холода является перспективным направлением для снижения энергопотребления при работе холодильных установок. Прогнозные предположения о развитии объекта исследования. Образцы композитов на основе органических фазово-переходных материалов, могут быть использованы в качестве терморегулирующих добавок к строительным материалам. Энергосберегающее композитное лакокрасочное покрытие с функцией активной терморегуляции на основе инкапсулированных фазово-переходных материалов представляют интерес для покрытия емкостей хранения ГСМ с целью обеспечения сохранности качества нефтепродуктов и минимизации потерь от испарения при хранении в следствие среднесуточных перепадов температуры окружающей среды. Энергосберегающие строительные смеси для внутренней отделки жилых и производственных помещений, содержащие композитные фазово-переходные волокна для сглаживания среднесуточных перепадов температур и снижения затрат и расхода ресурсов на отопление/охлаждение помещений и повышения их энергоэффективности. Предлагаемые составы композитных фазово-переходных материалов на основе клатратных и неклатратных гидратов могут найти применение в качестве аккумуляторов холода для уменьшения энергопотребления в системах охлаждения и кондиционирования."