ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ Российский патент 1994 года по МПК C09K5/00 

Изобретение относится к терморегулирующим жидкостям и может быть использовано в системах охлаждения или нагрева для переноса тепла от нагревателя к нагревательному объекту или теплопоглотителю, например, в бытовых системах отопления жилых помещений или в технологических установках, не допускающих прямого нагрева пламени или электронагревателями, а также холодильных установках.

Аналогом изобретения является теплоноситель "Термолан-1", состоящий из смеси алкилированных нафталинов (1).

Недостатком аналога является относительно высокая вязкость теплносителя, которая затрудняет его использование в режиме средних температур.

Прототипом изобретения является теплоноситель, состоящий из смеси моно- ди- и полиалкилнафталинов (2).

Недостатком прототипа является его сравнительно низкие эксплуатационные характеристики. В частности, он не обеспечивает требуемой ламинарности истечения в трубопроводах сложной конфигурации и каналах, имеющих малый радиус кривизны. Это обстоятельство является существенным, так как с одной стороны ламинарный поток, как известно, более эффективно участвует в передаче тепла, чем турбулентный. С другой стороны в системах нагрева и охлаждения контур циркуляции теплоносителя в ряде случаев имеет сложную форму со множественными изгибами, являющимися генераторами турбулентных возмущений. Очевидно, что способность теплоносителя в таких системах сохранять ламинарность потока представляет собой важное эксплуатационное свойство.

Целью изобретения является повышение эксплуатационных характеристик теплоносителя.

Для достижения поставленной цели теплоноситель содержит 0,01-7 мас% полиалкилнафталинов, моно- и диалкилнафталинов остальное. Сущность заявленного технического решения заключается в следующим.

При использовании жидкофазного теплоносителя его эксплуатационные характеристики в том числе эффективность теплопередачи к от объекта терморегулировки определяется двумя основными факторами: коэффициентом теплопередачи жидкости и ее способностью сохранять ламинарность течения в трубопроводах заданной конфигурации. На совершенствование теплоносителя по последнему параметру и направлено данное изобретение. При образовании турбулентных завихрителей в потоке теплоносителя, в последнем возникают пузырьки воздуха, а также резко (на 15-20% ) возрастает действующее сопротивление канала, по которому двигается жидкость (Марголин И. В. и др. Основы гидродинамики. М. , 1969, с. 122-124). Оба эти фактора снижают эффективность теплоотбора или теплопередачи с помощью теплоносителя. Первый из указанных факторов приводит к уменьшению площади контакта теплопередачи, а второй - к уменьшению массопереноса (а следовательно и теплопереноса) жидкости по рабочему каналу (трубопроводу).

Исследования сравнительных характеристик близких по химической природе к функциональному назначению жидкостей были приведены по нижеописанной методике, а их результаты приведены в табл. 1.

Сравнительным испытаниям подвергались отечественный высокотемпературный органический теплоноситель "Термолан-1" (производство Ивано-Франковского завода ТОС), теплоноситель Жилотерм, а также предложенное вещество.

Испытываемые жидкости поочередно пропускались через алюминиевый трубопровод О 20 мм с разведенным каналом, представляющим собой источник турбулентных возмущений. Жидкости предварительно нагревались до 200оС. Регулировка скорости истечения обеспечивалась механическим насосом НДР-005 и впускным клапаном с регулируемым ДУ. В месте раздвоения трубопровода был установлен измеритель сплошности потока ИСП-4, который фиксировал появление турбулентных потоков и вызываемых ими пузырьков.

Как следует из табл. 1, при прочих равных условиях предложенный теплоноситель способен работать на самых высоких из сравниваемых жидкостей скоростях истечения, то есть наименьшим образом подвержен турбулезации потока. По аналогической методике были проведены испытания смесей алкилнафталинов, содержащих разное количество полиалкилнафталинов. Содержание моно- и полиалкилнафталинов в смеси определилось с помощью спектрофотометра. Результаты испытаний показаны в табл. 2. Как следует из данных табл. 2 при содержании полиалкилнафталинов менее 5-7 мас. % резко возрастает предельная скорость истечения жидкости, при которой начинается переход в турбулентный режим, то есть при этом содержании полиалкилнафталинов существенно повышается при прочих равных условиях способность жидкости двигаться в ламинарном потоке.

Данное свойство смеси полиалкилнафталинов не следует из ранее известных свойств моно-, ди- и полиалкилнафталинов и обеспечивает приобретение смесью более высоких эксплуатационных свойств.

Моноалкилнафталины имеют следующие формулы:
С₂₄Н₃₆ мол. м. 324;
С₂₆Н₄₀ мол. м. 352;
С₂₈Н₄₄ мол. м. 380;
С₃₀Н₄₈ мол. м. 408
Средняя молекулярная масса фракции моноалкилнафталинов 361.

Диалкилнафталины имеют следующие структурные формулы:
А) H₃ Мол. м. 688
б)-CH₃ Мол. м. 744
Средняя молекулярная масса фракции диалкилнафталинов 707
Полиалкилнафталины имеют эмпирическую формулу
С10Н7(С_nН₂₊₁)m где n = 16-18
m = 3-4
Средняя молекулярная масса данной фракции 755 теплоноситель может быть получен путем замещения водорода в нафталиновом ядре на углеродный радикал в присутствии цеолитсодержащего катализатора.

Основная реакция
+ CH₃(CH₂)_nOH (CH₂)CH₃
где n = 13, 15, 17, 19.

Дальнейшее алкилирование приводит к получение диалкилзамещенных нафталинов, среди которых преобладают продукты защемления в одном кольце.

Побочной реакцией при этом является олигомеризация олефинов
m· CH₃(CH₂)_n-2CH = CH₂__→ [CH₃(CH₂)_n-2CH- CH₂] _m
где n = 13, 15, 17, 19;
m = 2, 3, 4.

Технологический процесс получения теплоносителя на стадии алкилирования нафталина высшими жирными спиртами или олефинами осуществляется по непрерывной схеме, например: после смешивания расплавленного нафталина с олефинами, смесь выдерживает в присутствии содержащего катализатора в течение 2-10 ч. В качестве катализатора может быть использован цеолит "Цеокар-1М" (ГОСТ 18640-72). Нафталин должен удовлетворять требованиям ГОСТ 16106-70, марка В и иметь в жидком состоянии (То = 80оС) вязкость порядка 0,98 104 кг с/м2. Олефины С14-С20, например тетрадецен (С14Н28) или эйкозен (С20Н40). Полученная таким образом смесь моно-, ди-, полиалкилнафталинов пропускается через перегонный куб. В процессе отгонки, доводят содержание полиалкилнафталинов до требуемой концентрации. В результате получают смесь алкилнафталинов, содержащую не более 7 мас. % полиалкилнафталинов. Данная смесь является теплоносителем.

Полученный теплоноситель имеет следующие свойства:
прозрачная жидкость с желтым оттенком;
температура вспышки - 230-240⁰С
минимальная температура самовоспламенения паров на воздухе и ниже - 380-385⁰С
рабочая температура до - 360⁰С
динамический коэффициент вязкости при То = 360⁰С - (0,6-0,2) 10-4 кг с/см2.

Примером конкретного применения теплоносителя является его использование в химических системах с плазменной стимуляцией процессов, например в плазмохимических системах создания силановых покрытий на неплоских поверхностях. Эти технологические установки характеризуются сложностью формы реакционной камеры и требует использования обогревающих рубашек сложной конфигурации. В рубашку реактора, прокачивают предварительно нагретую смесь моно-, ди- и полиалкилнафталинов, содержащую 2-3 мас. % последних. Скорость прокачки 8-10 м/мин. Этим обеспечивают любую заданную температуру в реакторе, начина от 80 и до 350⁰С.

Таким образом по сравнению с известными высокотемпературными теплоносителями, завяленный обладает более высокой устойчивостью к образованию турбулентного режима течения. (56) "Термолан-1", Технические условия ТУ 38.40291-860 М, 0 1986. , Ивано-Франковский завод тонкого органического синтеза (аналог).

Заявка Великобритании N 2167433, кл. С 07 С 2/64, 1986 (прототип). Т а б л и ц а 1.

Использование: в системах охлаждения или нагрева для переноса тепла, например в бытовых системах отопления или в технологических установках, а также в холодильных установках в качестве теплоносителя. Сущность изобретения: теплоноситель содержит, мас. % , полиалкилиафталины 0,01 - 7 и моно- и диалкилиафтаны остальное. 1 табл.

ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ из смеси моно-, ди- и полиалкилнафталинов, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующих соотношениях, мас. % :
Полиалкилнафталины 0,01 - 7,00
Моно- и диалкилнафталины Остальное