Экзотермическая композиция для тепловыделяющего элемента

Авторы патента:

F24J1 - Экзотермические химические реакции иные, чем реакции горения ( для кухонной посуды A47J 36/28; самонагревающиеся компрессы A61F 7/03; материалы, при использовании которых для получения тепла или холода , происходят необратимые химические реакции, иные, чем реакции горения C09K 5/18)

Владельцы патента RU 2303204:

Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН (RU)

Изобретение относится к области химических источников тепла, работающих на основе использования тепловых эффектов химических реакций, в частности к области автономных источников тепла (АИТ), способных обеспечить локальный нагрев до заданной температуры и поддержание ее в течение требуемого промежутка времени. Предлагается экзотермическая композиция для тепловыделяющего элемента, включающая порошок железа, инициатор реакции окисления, влагоудерживающий сорбент, хлорид натрия и воду, причем в качестве инициатора реакции окисления используется активный уголь с удельной поверхностью 500-700 м²/г и удельным объемом микропор 0,15-0,25 см³/г, а в качестве влагоудерживающего сорбента используется активный уголь с удельной поверхностью 1400-1600 м²/г и удельным объемом микропор 0,70-1,00 см³/г при следующих соотношениях компонентов, вес.%: порошок железа 50-65; активный уголь с удельной поверхностью 500-700 м²/г и удельным объемом микропор 0,15-0,25 см³/г 5-15; активный уголь с удельной поверхностью 1400-1600 м²/г и удельным объемом микропор 0,70-1,00 см³/г 10-30; хлорид натрия 0,2-1,5; вода 10-25. Предложенная экзотермическая композиция обеспечивает быстрый, до 20 минут, выход на рабочую температуру, стабильную и продолжительную работу тепловыделяющего элемента в интервале температур 40-60°С. 1 ил.

Экологически чистые и пожаробезопасные АИТ уже нашли применение в самых различных областях: стабилизация температуры электронных устройств; отверждение герметиков и других материалов (когда использование нагревателей иных видов исключено); помощь при стихийных бедствиях и катастрофах; в медицине; при работе на холоде (лесорубы, авиационные техники, нефтяники, военнослужащие); сушка одежды и обуви в походных условиях, нагревание пищи и многое другое.

Для этих целей применяют композиции, тепловыделение которых основано на экзотермической реакции окисления порошкообразного железа кислородом воздуха. Такой процесс проходит в присутствии электролита, который разрушает оксидную пленку, образующуюся на поверхности железа. До открытия доступа кислорода водный раствор электролита находится во влагоудерживающем сорбенте и инициаторе реакции. Инициатором процесса окисления, как правило, служит активный уголь, процесс десорбции электролита из которого происходит уже на начальной стадии тепловыделения.

Известен состав экзотермической композиции грелки для тела [US №5046479, 1991], включающий порошок железа 55-65 вес.%, активный уголь 3,5-4,5%, влагоудерживающий сорбент 9-11%, хлорид натрия 4,5-6% и воду 18-22% (электролит). Грелка устойчиво работает в диапазоне температур 38-41°С в течение 20-24 часов. К недостаткам такого состава относится то, что удовлетворительные температурно-временные показатели достигаются благодаря конструктивным особенностям грелки медицинского назначения. Использование этой композиции в широко применяемом тепловыделяющем элементе [US №4516564, 1985], состоящем из воздухонепроницаемой пленки с отверстиями в ней и заслонки, закрывающей и открывающей эти отверстия, приводит к существенным перегревам на начальной стадии реакции окисления железа и, как следствие, к прекращению реакции из-за интенсивного выделения сорбированной влаги, заливающей поверхность композиции.

Известен состав шихты для тепловыделяющего элемента [Ru №2179005, 2002.02.10], в котором активный уголь, как инициатор процесса окисления, заменен на силикагель с ограниченным объемом пор 0,75-1,15 см³/г, что дает возможность подобрать условия для стабильной работы тепловыделяющего элемента на начальной стадии реакции окисления железа.

Основным недостатком этого состава является неустойчивость тепловыделения, выраженная в снижении заданной рабочей температуры.

Это связано с тем, что, при отсутствии активного угля, из процесса окисления железа, обеспечивающего тепловыделение, исключается электрохимическая составляющая реакции, обусловленная, в свою очередь, разностью электрических потенциалов между железом и углеродом.

Технической задачей является изыскание экзотермической композиции для тепловыделяющего элемента, обеспечивающей быстрый нагрев до рабочей температуры, стабильное и продолжительное тепловыделение в интервале температур 40-60°С. Так как при заданном составе экзотермической композиции рабочая температура напрямую зависит от площади отверстий вышеупомянутой воздухонепроницаемой пленки, техническая задача сводится к требованию поддержания рабочей температуры на постоянном уровне в определенном промежутке времени.

Наиболее близким по достигаемому эффекту и по составу является экзотермическая композиция теплового компресса, приведенная в патенте US №5233981, 1993, A61F 7/00 (прототип), включающая порошок железа 40-75 вес.%, инициатор реакции окисления (активный уголь) 1-10%, влагоудерживающий сорбент 1-40%, хлорид натрия 1-10% и воду 1-40%. Компресс устойчиво работает в интервалах температур 38-44°С. Время выхода на рабочую температуру составляет более 30 минут.

Недостатком композиции является то, что эффект стабильности тепловыделения достигается за счет конструктивного ограничения доступа кислорода, что в свою очередь не позволяет достичь рабочих температур свыше 50°С.

Температурная характеристика состава прототипа мас.%: порошок железа - 60, активный уголь - 7, влагоудерживающий сорбент (песок перлитовый) - 15, хлорид натрия - 3, вода - 15 - показывает, что при снятии ограничений на доступ кислорода воздуха основным недостатком состава прототипа является значительный перегрев в начальной стадии реакции окисления и небольшая продолжительность устойчивой работы (см. чертеж, кривая "прототип").

Заявленное изобретение направлено на изыскание экзотермической композиции для тепловыделяющего элемента, обеспечивающей быстрый, до 20 минут, выход на рабочую температуру и стабильную продолжительную работу в интервале рабочих температур 40-60°С. Под стабильностью понимается отсутствие явления перегрева на начальной стадии процесса окисления железа и постоянство рабочей температуры на протяжении определенного времени.

Технический результат достигается тем, что предлагается экзотермическая композиция для тепловыделяющего элемента, включающая порошок железа, инициатор реакции окисления, влагоудерживающий сорбент, хлорид натрия и воду, отличающаяся тем, что в качестве инициатора реакции окисления используется активный уголь с удельной поверхностью 500-700 м²/г и удельным объемом микропор 0,15-0,25 см³/г, а в качестве влагоудерживающего сорбента используется активный уголь с удельной поверхностью 1400-1600 м²/г и удельным объемом микропор 0,70-1,00 см³/г при следующих соотношениях компонентов, вес.%:

порошок железа	50-65;
активный уголь с удельной
поверхностью 500-700 м²/г и удельным
объемом микропор 0,15-0,25 см³/г	5-15;
активный уголь с удельной
поверхностью 1400-1600 м²/г и удельным
объемом микропор 0,70-1,00 см³/г	10-30;
хлорид натрия	0,2-1,5;
вода	10-25.

Содержание в составе шихты основного реагента - порошка железа обусловлено тем, что при количестве менее 50% значительно уменьшается тепловыделяющая способность и не удается достичь стабильных рабочих температур выше 40°С, а при количестве более 65% наблюдается неустойчивость тепловыделения из-за дефицита остальных компонентов заявленной экзотермической композиции.

Характеристики активных углей выбираются на основании исследования реакции окисления кислородом воздуха железосодержащих смесей, в состав которых входят активные угли различных марок [Дробот Н.Ф., Гавричев К.С., Носкова О.А. и др. Журн. физической химии, 2002, т.76, №1, стр.94-97]. Установлено, что скорость разогрева и количество выделенного тепла, т.е. продолжительность тепловыделения, определяются величинами удельной поверхности углей, объемом их микропор, соотношением динамики сорбции и десорбции воды углями.

Так, активные угли с удельной поверхностью <700 м²/г, объемом микропор ≤0,25 см³/г, сорбирующие >25% воды и легко ее отдающие (десорбция воды при 50°С>35%), обеспечивают максимальную скорость разогрева.

Активные угли с удельной поверхностью >1400 м²/г, объемом микропор >0,7 см³/г, сорбирующие >80% воды и прочно ее удерживающие (десорбция воды при 50°С<5%), обеспечивают максимальное количество выделенного тепла или продолжительность тепловыделения.

Нижние пределы содержания активных углей в композиции обусловлены тем, что при относительном количестве активного угля с объемом микропор 0,15-0,25 см³/г менее 5 вес.% быстрый выход на рабочие температуры свыше 50°С не обеспечивается (тенденция приведена в Примере 2), а при относительном количестве активного угля с объемом микропор 0,70-1,00 см³/г менее 10 вес.% продолжительность тепловыделения незначительна (тенденция приведена в Примере 1).

Экзотермическую композицию для тепловыделяющего элемента готовят следующим образом: перемешанную композицию из порошка железа и двух типов активных углей пропитывают в инертной среде водным раствором хлорида натрия при t=20-25°С, затем смесь помещают в воздухонепроницаемую пленку тепловыделяющего элемента.

Предлагаемая экзотермическая композиция работает следующим образом: при открытии доступа кислорода воздуха происходит окисление порошка железа с выделением тепла. Одновременно начинается интенсивный процесс десорбции водного раствора хлорида натрия из угля, выполняющего функцию инициатора реакции, в результате чего поверхность железа очищается от образовавшейся оксидной пленки, что обеспечивает дальнейшее его окисление. По мере повышения температуры начинается процесс медленной десорбции электролита из угля, выполняющего функцию влагоудерживающего сорбента.

Температура смеси достаточно быстро, за 5-20 минут, достигает требуемого значения 40-60°С, после чего происходит равномерный процесс тепловыделения.

Достижение технического результата проиллюстрировано на чертеже "Температурно-временная характеристика экзотермической композиции для тепловыделяющего элемента".

Ниже приведены примеры составов предлагаемой экзотермической композицию для тепловыделяющего элемента

Пример 1. Состав, вес.%:

порошок железа	60;
активный уголь с удельной
поверхностью 500-700 м²/г и удельным
объемом микропор 0,15-0,25 см³/г	15;
активный уголь с удельной
поверхностью 1400-1600 м²/г и удельным
объемом микропор 0,70-1,00 см³/г	10;
хлорид натрия	1,0;
вода	14.

Температурная характеристика представлена на чертеже кривой 1.

Время выхода на рабочую температуру составляет 5 минут, продолжительность устойчивой работы 150 минут.

Пример 2. Состав, вес.%:

порошок железа	50;
активный уголь с удельной
поверхностью 500-700 м²/г и удельным
объемом микропор 0,15-0,25 см³/г	5;
активный уголь с удельной
поверхностью 1400-1600 м²/г и удельным
объемом микропор 0,70-1,00 см³/г	30;
хлорид натрия	1,5;
вода	13,5.

Температурная характеристика представлена на чертеже кривой 2.

Время выхода на рабочую температуру составляет 20 минут, продолжительность устойчивой работы до 400 минут.

Пример 3 (наилучший вариант достижения технического результата).

Состав, вес.%:

порошок железа	60;
активный уголь с удельной
поверхностью 500-700 м²/г и удельным
объемом микропор 0,15-0,25 см³/г	7;
активный уголь с удельной
поверхностью 1400-1600 м²/г и удельным
объемом микропор 0,70-1,00 см³/г	15;
хлорид натрия	1,2;
вода	16,8.

Температурная характеристика представлена на чертеже кривой 3.

Время выхода на рабочую температуру составляет 10 минут, продолжительность устойчивой работы 720 минут.

Предложенная экзотермическая композиция обеспечивает быстрый, до 20 минут, выход на рабочую температуру, стабильную и продолжительную работу тепловыделяющего элемента в интервале температур 40-60°С.

Экзотермическая композиция для тепловыделяющего элемента, включающая порошок железа, инициатор реакции окисления, влагоудерживающий сорбент, хлорид натрия и воду, отличающаяся тем, что в качестве инициатора реакции окисления используется активный уголь с удельной поверхностью 500-700 м²/г и удельным объемом микропор 0,15-0,25 см³/г, а в качестве влагоудерживающего сорбента используется активный уголь с удельной поверхностью 1400-1600 м²/г и удельным объемом микропор 0,70-1,00 см³/г при следующих соотношениях компонентов, вес.%:

порошок железа	50-65
активный уголь с удельной
поверхностью 500-700 м²/г и удельным
объемом микропор 0,15-0,25 см³/г	5-15
активный уголь с удельной
поверхностью 1400-1600 м²/г и удельным
объемом микропор 0,70-1,00 см³/г	10-30
хлорид натрия	0,2-1,5
вода	10-25

Изобретение относится к области рыбоводства и предназначено для повышения температуры воды в прудах и установках индустриального типа. .

Нагревательное устройство // 2263853

Изобретение относится к нагревательным устройствам и может быть использовано для нагревания различных твердых и жидких веществ, консервов, продуктов быстрого приготовления без использования традиционных средств нагревания (газ, электричество и т.п.).

Материал с изменяемой фазой и стабилизированной плотностью, метод его создания и тепловая батарея с этим материалом // 2232355

Способ энергоснабжения силовой установки автотранспортного средства (варианты) // 2181185

Изобретение относится к области энергомашиностроения и, в частности, может быть использовано в силовой установке автотранспортного средства. .

Способ сжигания металлосодержащего топлива // 2158396

Способ энергоснабжения силовой установки транспортного средства // 2158374

Изобретение относится к транспортному машиностроению и, в частности, может быть использовано в силовых установках автомобилей. .

Модуль для избирательного перемешивания двух веществ (варианты) и контейнер для избирательного изменения температуры хранимого материала // 2144163

Термохимическая медицинская грелка // 2103959

Пиротехнический состав // 2091359

Изобретение относится к области пиротехники и может быть использовано в различных устройствах, в которых от пиротехнического состава (ПТС), кроме тепловыделения требуется малое удельное газовыделение, сохранение геометрических размеров после сгорания, относительно высокая электропроводность шлаков.

Тепловыделяющий элемент // 2088858

Порошковая смесь для осуществления экзотермической реакции // 2330868

Изобретение относится к области химических источников тепла, а конкретно - к материалам для теплопередачи на основе реакции окисления магния

Контактный нагреватель упакованных пищевых продуктов // 2350244

Изобретение относится к пищевой промышленности, в частности к устройствам для нагрева пищевых продуктов перед их употреблением теплом, выделяемым при экзотермической химической реакции

Плоский нагреватель // 2370706

Изобретение относится к пищевой промышленности, а более конкретно к устройствам для нагрева пищевых продуктов перед их употреблением теплом, выделяющимся при экзотермической химической реакции между реагентами в твердом и жидком состояниях

Рекомпрессия пара в способах производства ароматической карбоновой кислоты // 2375647

Изобретение относится к использованию тепла экзотермических реакций в качестве источника энергии для нагрева паровой среды

Способ парциального кипячения в мини- и микроканалах // 2382310

Изобретение относится к теплотехнике и предоставляет методы, приборы и системы, в которых имеет место частичное кипячение жидкости в миниканале или микроканале длиной, по крайней мере, 15 см

Термостатическое регулирование температуры для саморазогревающихся контейнеров // 2384796

Изобретение относится к одноразовым нагревательным устройствам для продуктов при инициировании экзотермической химической реакции

Экзотермический нагреватель // 2388973

Изобретение относится к устройствам для нагрева различных предметов и обеспечивает повышение эффективности использования тепловой энергии, выделившейся в результате протекания экзотермической химической реакции при одновременном обеспечении многофункциональности

Способ изготовления тепловых ячеек, содержащих экзотермические композиции с поглощающим гелеобразующим материалом // 2389452

Изобретение относится к области изготовления тепловых ячеек, предназначенных для встраивания в одноразовые нагревательные обертки

Пиротехническое устройство для подогрева жидкости в трубопроводе // 2433358

Изобретение относится к пиротехническим устройствам для подогрева жидкости в трубопроводе и может быть использовано в устройствах авиационной и ракетно-космической техники для быстрого подогрева жидкого топлива, подаваемого в камеру сгорания двигателя в условиях низких температур

Тепловой аккумулятор и способ его изготовления // 2536955

Изобретение относится к тепловому аккумулятору, в частности к тепловому аккумулятору для регулирования теплового состояния устройства, установленного в космическом аппарате. Также изобретение относится к способу изготовления такого теплового аккумулятора. Аккумулятор содержит сотовый конструкционный элемент (3) с множеством ячеек. Каждая из ячеек заполнена капсулами, вмещающими теплоаккумулирующий материал, и теплопроводящим наполнителем, содержащим теплопроводящий материал и адгезивное вещество и имеющим теплопроводность в диапазоне от 5 до 20 Вт/(м·К). Аккумулятор изготовлен путем введения исходного материала (2), представляющего собой смесь капсул и теплопроводящего наполнителя, в контакт с сотовым конструкционным элементом (3) с закрытием по меньше мере одной поверхности расположения отверстий ячеек элемента (3), прессования исходного материала под давлением 4-10 МПа, заполнения каждой ячейки материалом (2) и затвердевания теплопроводящего наполнителя после заполнения ячеек. В результате может быть получен легкий и недорогой тепловой аккумулятор, обладающий благоприятной теплопроводностью. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 11 ил.