ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ Российский патент 2002 года по МПК F24J2/48 

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в нагревателях различных типов, преобразующих лучистую энергию, например лучистую энергию Солнца, в тепловую энергию.

Известны различные варианты антифризов, например [1], предназначенные для отвода тепла от двигателя внутреннего сгорания в окружающую среду при низких температурах окружающей среды. Недостаток известных антифризов заключается в высокой стоимости и высокой токсичности.

Известны различные варианты газовых теплоносителей, к которым относятся, например, продукты сгорания топлива, используемые в котлах дымогарного (огнетрубного) или водотрубного типа [2]. Недостаток таких теплоносителей заключается в высокой токсичности продуктов сгорания топлива, кроме того, продукты сгорания топлива очень сложно утилизировать, поэтому их выброс в атмосферу существенно ухудшает экологическую обстановку в районах дислокации таких тепловых систем.

Известны жидкие металлы, используемые в качестве теплоносителей первого контура ядерных энергетических установок [3]. Их недостаток заключается в том, что они предназначены только для работы в условиях очень высоких температур, кроме того, такие теплоносители характеризуются высокой пожароопасностью.

Известен атмосферный воздух, выполняющий роль теплоносителя при отоплении помещений системами воздушного отопления, например [4], или при преобразовании лучистой энергии Солнца в тепловую энергию, например [5]. Недостаток атмосферного воздуха заключается в низкой теплоемкости, вследствие чего эффективность подобных обогревателей оказывается невысокой.

Известно использование воды в качестве теплоносителя в различных тепловых системах, например нагревателях, преобразующих лучистую энергию в тепловую энергию [6]. Применение воды в качестве теплоносителя имеет ряд недостатков, в частности вода имеет довольно высокую температуру замерзания (0^oС), поэтому вода как теплоноситель может использоваться только при положительной температуре окружающей среды, к тому же вода имеет положительный коэффициент теплового расширения при замерзании, вследствие чего при замерзании воды возможно повреждение устройств, использующих воду в качестве теплоносителя. Кроме того, вода имеет высокое поглощение в инфракрасном и ультрафиолетовом диапазонах электромагнитного излучения и малое поглощение в видимом диапазоне, поэтому ее применение в качестве теплоносителя в устройствах, использующих объемное поглощение теплоносителем лучистой энергии, например энергии Солнца, не является оптимальным.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому теплоносителю является раствор хлористого натрия в воде [7]. Возможны два варианта использования раствора хлористого натрия в воде в качестве теплоносителя для преобразования лучистой энергии в тепловую энергию теплоносителя, а именно:
1) вначале лучистая энергия преобразуется в тепловую энергию непрозрачной (поглощающей) стенкой емкости, в которой находится теплоноситель, после чего теплоноситель нагревается за счет его контакта с нагретой стенкой;
2) лучистая энергия, пройдя через прозрачную стенку, проходит через теплоноситель, в котором происходит прямое преобразование лучистой энергии в тепловую энергию за счет объемного поглощения излучения теплоносителем.

Сравним два этих варианта, выбрав в качестве критерия эффективности действия источника тепловой мощности заданной величины достижимый перегрев подвижного теплоносителя ϑ:
ϑ = t_f-f_c, (1)
где t_f - температура подвижного теплоносителя, t_c - температура окружающей среды.

Сопоставим перегрев подвижного теплоносителя в канале при нагреве лучистой энергией внешней стенки плоского канала (вариант 1) и при нагреве жидкости внутренним источником, создаваемым поглощением излучения в его объеме.

С целью упрощения анализа можно ввести следующие допущения.

1. Рассматривается стационарный тепловой режим.

2. Тепловой расчет для подвижного теплоносителя в канале проводится в статике, как для неподвижного, поскольку медленное движение теплоносителя снизу вверх под действием архимедовой силы не вносит качественного искажения в тепловой баланс.

3. Ввиду малой ширины канала по сравнению с двумя другими измерениями (длиной и шириной) его можно рассматривать как бесконечно протяженный, поэтому реализуется одномерный перенос тепла - только в поперечном направлении.

4. Вследствие малой ширины канала нагрев теплоносителя по толщине канала считается равномерным.

Рассмотрим поочередно два варианта нагрева теплоносителя, а затем сопоставим полученные результаты.

1. Вариант 1
На внешнюю стенку канала с координатой х=0 (фиг. 1) падает удельный тепловой поток q [Вт/м²]. На внешних стенках канала - на поверхностях х=0 и х= L+2Δ осуществляется теплоотдача - при х=0 - в первую среду с температурой t_c1, а при х=L+2Δ- во вторую среду с температурой t_с2. Теплоотдача в первую и вторую среды характеризуется величинами коэффициентов теплоотдачи соответственно α_c1 и α_c2 [Вт/м²K] . Толщина стенки Δ для упрощения принимается незначительной и тепловое сопротивление стенки мало. На внутренних стенках канала теплообмен с подвижным теплоносителем характеризуется коэффициентами теплоотдачи α₁ и α₂.
Тепловую модель рассмотренного объекта (канал с теплоносителем - фиг. 1) можно представить в виде эквивалентной тепловой цепи [8, 9], представленную на фиг. 2, где t_s1 и t_s2 - соответственно температуры стенок слева и справа от теплоносителя.

Для упрощения расчетов представим удельные проводимости (коэффициенты теплоотдачи α₂ и α_c2) в правой части цепи в виде эффективного коэффициента теплопередачи k₂ [10]:

В свою очередь, все элементы правее узла t_s1 на схеме на фиг. 2 можно объединить и описать одной эффективной величиной:

Тогда баланс потоков в левом и правом относительно узла t_s1 плече схемы можно представить в виде системы уравнений:

Из решения системы уравнений (4) можно получить величину температуры стенки t_s1 и потока q₀:


Из рисунка, приведенного на фиг. 2, видно, что

откуда можно определить конечную искомую величину достижимого перегрева ϑ₁ теплоносителя для рассматриваемого варианта:

Подставив в (8) величину q₀ из (6), окончательно получим:

где

2. Вариант 2
При внутреннем тепловыделении источник теплового потока подводится не к точке t_s1, а к точке t_f (фиг. 3).

Для упрощения расчетов кроме величины k₂ (2) вводится коэффициент теплопередачи k₁ (10) для левой относительно узла t_f части схемы, с учетом которого баланс потоков в тепловой схеме упрощается:

Решение системы позволяет получить выражение для t_f и ϑ₂ (ϑ₂ - искомая величина достижимого перегрева подвижного теплоносителя для заявляемого технического решения):


3. Сопоставление вариантов 1 и 2
Проведем сопоставление для простейшего случая симметрии условий теплообмена на левой и правой стенках в обоих вариантах, то есть будем считать, что

Тогда (9) и (13) упростятся до вида:

Отношение ϑ₂ к ϑ₁ равно:

Как видно из (16), всегда выполняется условие
δ>1, (17)
то есть второй вариант (прямое преобразование лучистой энергии в тепловую энергию за счет объемного поглощения излучения теплоносителем) при прочих равных условиях является более эффективным по сравнению с первым вариантом (лучистая энергия преобразуется в тепловую энергию непрозрачной стенкой емкости, в которой находится теплоноситель, после чего теплоноситель нагревается за счет его контакта с нагретой стенкой), причем чем хуже теплоизолирована система (чем выше α_c), тем больший выигрыш обеспечивает второй вариант по сравнению с первым вариантом.

Однако использование водного раствора хлористого натрия в качестве теплоносителя в нагревателях, использующих объемное поглощение теплоносителем лучистой энергии, не является оптимальным за счет того, что известный теплоноситель имеет значительно меньшее поглощение в видимой области спектра, чем в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра.

Кроме того, недостаток известного теплоносителя заключается в сравнительно высокой температуре замерзания (в соответствии с [7] водный раствор хлористого натрия имеет минимальную температуру замерзания, равную - 21^oС, при содержании хлористого натрия 23,1 вес. %). При этом в процессе замерзания известного теплоносителя в нем образуется лед, имеющий положительный коэффициент объемного теплового расширения при замерзании, в результате чего возможно повреждение устройств, использующих известный теплоноситель, образующимся льдом.

Задачей изобретения является повышение потребительских свойств теплоносителя за счет повышения эффективности преобразования лучистой энергии в тепловую энергию путем повышения поглощения в видимой области спектра, снижения температуры замерзания и исключения возможности повреждения устройств, использующих теплоноситель, при его замерзании.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в известный теплоноситель, содержащий воду и хлористый натрий (NaCl), внесены следующие усовершенствования: он дополнительно содержит хлористую медь (CuCl₂), метилтимоловый синий и метиленовый синий при следующем соотношении компонентов, вес. %:
Вода - 60,5-76,5
Хлористая медь - 0,05-39,5
Хлористый натрий - 0,05-23,5
Метилтимоловый синий - 0,002-0,02
Метиленовый синий - 0,003-0,03.

Такой вариант выполнения теплоносителя обеспечивает высокое поглощение лучистой энергии теплоносителем в широком спектральном диапазоне (инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом).

Граничные значения указанных компонентов выбраны, исходя из следующих требований:
1) исключение возможности повреждения устройства, использующего заявляемый теплоноситель, при замерзании теплоносителя (теплоноситель должен иметь отрицательный коэффициент объемного теплового расширения при замерзании);
2) обеспечение минимальной температуры замерзания теплоносителя;
3) обеспечение максимального поглощения в максимально широком спектральном диапазоне;
4) исключения возможности выпадения осадка из теплоносителя (учтены значения предельных растворимостей указанных веществ при соответствующих температурах).

На фиг. 1 - 3 приведены рисунки, иллюстрирующие проведенный сравнительный анализ двух рассмотренных выше вариантов преобразования лучистой энергии в тепловую энергию.

В зависимости от конкретных вариантов конструктивного исполнения нагревательной установки, в которой используется заявляемый теплоноситель, ограничений по стоимости и с учетом климатических условий возможно использование различных вариаций состава смеси заявляемого теплоносителя.

Например, смесь следующего состава, вес. %: вода - 60,5, хлористая медь - 39,0, хлористый натрий - 0,05, превращается в твердую фазу при температуре ниже - 37^oС, причем коэффициент объемного теплового расширения при замерзании имеет отрицательный знак, то есть использование такого состава исключает возможность повреждения нагревателя при замерзании смеси указанного состава. Эта смесь при длине волны до 460 нм и свыше 560 нм имеет оптическую плотность более 2 см^-1, а в видимой области спектра имеет сниженное поглощение. Введение в данную смесь метилтимолового синего и метиленового синего в вышеуказанных концентрациях не изменяет температуру замерзания и коэффициент объемного теплового расширения при замерзании, при этом обеспечивается повышение поглощения излучения теплоносителем в видимой области спектра, причем значение оптической плотности в видимом диапазоне длин волн превышает 2 см^-1
Смесь, имеющая следующий состав, вес. %: вода - 76,5, хлористый натрий - 23,0, хлористая медь - 0,05, замерзает при - 19^oС и тоже имеет отрицательный коэффициент объемного теплового расширения при замерзании. Эта смесь имеет оптическую плотность более 2 см^-1 при длине волны до 270 нм и свыше 1300 нм, а в видимой области спектра тоже наблюдается пониженное поглощение. Введение в данную смесь метилтимолового синего и метиленового синего в вышеуказанных концентрациях не изменяет температуру замерзания и коэффициент объемного теплового расширения при замерзании, при этом обеспечивается повышение поглощения излучения теплоносителем в видимой области спектра, причем значение оптической плотности в видимом диапазоне длин волн превышает 2 см^-1.

Смесь, имеющая следующий состав, вес. %: вода - 70, хлористая медь - 20, хлористый натрий - 10, замерзает при - 28^oС, причем ее коэффициент объемного теплового расширения при замерзании тоже отрицательный. Эта смесь имеет оптическую плотность более 2 см ^-1 при длине волны до 440 нм и свыше 580 нм, а в видимой области спектра тоже наблюдается пониженное поглощение. Введение в данную смесь метилтимолового синего и метиленового синего в вышеуказанных концентрациях не изменяет температуру замерзания и коэффициент объемного теплового расширения при замерзании, при этом обеспечивается повышение поглощения излучения теплоносителем в видимой области спектра, причем значение оптической плотности в видимом диапазоне длин волн превышает 2 см^-1. Данный состав в ряде случаев является оптимальным.

Концентрации метилтимолового синего и метиленового синего определяются толщиной слоя теплоносителя, через которую проходит поглощаемая лучистая энергия. Нижние пределы концентраций метилтимолового синего и метиленового синего соответствуют толщине слоя теплоносителя, приблизительно равной 10 см, а верхние пределы - 1 мм.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Советский энциклопедический словарь. Научно-редакционный совет: А.М. Прохоров (пред.). М.: Советская энциклопедия. 1981. С. 65.

2. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1969. С. 211, 419.

3. Физический энциклопедический словарь. Гл. ред. А.М. Прохоров. М.: Сов. Энциклопедия, 1984. С. 920-922.

4. Эллиот Л., Уилкокс У. Физика. М.: Наука. 1967. С. 327-328.

5. Солнечный воздухонагреватель. Патент Российской Федерации 2044227, приор. от 11.03.93, публ. 20.09.95. Бюл. 26, МПК6 F 24 J 2/22.

6. Солнечный водонагреватель. Патент США 4517961, публ. 21.05.85, т. 1054, 3. МПК3 F 24 J 3/02, НКИ 126-450.

7. Негорючие теплоносители и гидравлические жидкости. Справочное руководство под ред. А.М. Сухотина. Л.: Химия 1979. - 360 с.

8. Дульнев Г.Н., Семяшкин Э.М. Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах. М.: Энергия, 1968. - 360 с.

9. Дульнев Г. Н., Парфенов В.Г., Сигалов А.В. Методы расчета теплового режима приборов. М.: Радио и связь, 1990. - 312 с.

10. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергия, 1969.-440 с.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в нагревателях различных типов, преобразующих лучистую энергию, например лучистую энергию Солнца, в тепловую энергию. Сущность изобретения: известный теплоноситель, содержащий воду и хлористый натрий, дополнительно содержит хлористую медь, метилтимоловый синий и метиленовый синий при следующем соотношении компонентов, вес. %: вода - 60,5-76,5, хлористая медь - 0,05-39,5, хлористый натрий - 0,05-23,5, метилтимоловый синий - 0,002-0,02, метиленовый синий - 0,003-0,03. Изобретение позволит повысить потребительские свойства теплоносителя за счет повышения эффективности преобразования лучистой энергии в тепловую энергию путем повышения поглощения в видимой области спектра, снижения температуры замерзания и исключения возможности повреждения устройств, использующих теплоноситель, при его замерзании. 3 ил.

Теплоноситель, содержащий воду и хлористый натрий, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хлористую медь, метилтимоловый синий и метиленовый синий при следующем соотношении компонентов, вес. %:
Вода - 60,5-76,5
Хлористая медь - 0,05-39,5
Хлористый натрий - 0,05-23,5
Метилтимоловый синий - 0,002-0,02
Метиленовый синий - 0,003-0,03