Экзотермическая композиция для тепловыделяющего элемента

Экзотермическая композиция для тепловыделяющего элемента

Реферат

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 быстрый локальный нагрев до заданной температуры и поддержание ее в течение требуемого промежутка времени.

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