ОХЛАДИТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК C09K5/10 F24J2/46 C01F11/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к специализированной текучей среде, которая является объектом преобразования энергии, а также теплоносителем, который далее именуется специализированным.

Уровень техники

Известно множество теплоносителей, которые имеют различные применения. В этих целях обычно используется воздух и вода благодаря их доступности в природе. Известными теплоносителями других типов являются органические текучие среды, расплавленные соли и жидкие металлы.

При выборе теплоносителя для конкретного применения следует учитывать несколько критериев:

поглощающую способность текучей среды,

интервал температур, в котором он будет применяться, т.е. максимальную и минимальную температуры,

продолжительность сохранения эффективности с течением времени:

агрессивность текучей среды в отношении используемых материалов, опасность коррозии или загрязнения и т.д.,

требования к безопасности: опасность ожогов, опасность поражения электрическим током, пожароопасность, взрывоопасность, токсичность, опасности, связанные с оборудованием под давлением, правила удаления и рециркуляции текучей среды,

технико-экономические критерии: затраты на капиталовложения и эксплуатацию.

В случае бытового солнечного коллектора, предназначенного для нагрева воды для хозяйственных нужд в жилом помещении, обычно используется теплоноситель, представляющий собой смесь воды и антифриза. Это объясняется тем, что этот теплоноситель удовлетворяет перечисленным критериям для применения такого типа.

Тем не менее, поскольку этот теплоноситель имеет ограниченную поглощающую способность, солнечный коллектор должен быть рассчитан на преобразование световой энергии в тепло. Такой солнечный коллектор имеет ограниченный кпд.

В патенте US 4083490 описан предназначенный для поглощения солнечной радиации коллектор, содержащий поглощающую среду, состоящую из этиленгликоля, воды и коллоидной суспензии графита, имеющей частицы размером приблизительно 1 µм. Коллоидная суспензия графита ведет себя как мелко измельченное абсолютно черное тело, которое непосредственно поглощает большое количество лучистой энергии.

Краткое изложение сущности изобретения

В основу настоящего изобретения положена задача создания специализированной текучей среды, которая особо применима для использования в бытовом солнечном коллекторе. В частности, одной из задач изобретения является улучшение поглощающей способности специализированной текучей среды.

В изобретении предложена специализированная текучая среда, отличающаяся тем, что содержит воду и порошковый минерал, который обладает высокой способностью рассеивать солнечную радиацию и имеет массовую концентрацию от 1% до 3% и среднюю крупность частиц от 0,8 до 10 µм.

Было установлено, что за счет этих характеристик специализированная текучая среда является объектом преобразования энергии и, соответственно, обладает высокой поглощающей способностью. Таким образом, эта текучая среда, используемая в солнечном коллекторе, позволяет увеличивать количество энергии, вырабатываемой коллектором. Кроме того, солнечный коллектор может быть сконструирован таким образом, чтобы направлять свет на текучую среду без необходимости других средств, способствующих преобразованию энергии.

Частицы сильно рассеивающего порошкового минерала преимущественно имеют средний коэффициент рассеяния световой энергии более 0,7, предпочтительно более 0,9. Такой коэффициент рассеяния энергии может быть измерен с использованием рефлектометра, например, одним из способов измерения с использованием фотометрического шара. В таком способе частицу, помещенную в центр преимущественно сферического коллектора, облучают падающим потоком световой энергии. Преимущественно сферический коллектор измеряет поток энергии, рассеиваемый частицей во всем пространстве. Коэффициент рассеяния энергии является соотношением общего рассеиваемого потока и падающего потока. Остаток от деления коэффициента рассеяния на единицу является энергетическим коэффициентом поглощения частицы.

Порошковый минерал с высокой рассеивающей способностью преимущественно содержит карбонат кальция или синтетический или натуральный порошковый минерал. В одном из вариантов осуществления порошковым минералом с высокой рассеивающей способностью является порошковый карбонат кальция.

Порошковый минерал с высокой рассеивающей способностью предпочтительно имеет среднюю крупность частиц от 1 до 3 µм.

Порошковый минерал с высокой рассеивающей способностью предпочтительно состоит из сфероидальных частиц. Такая форма способствует рассеянию света.

Текучая среда предпочтительно содержит антифриз с массовой концентрацией от 0% исключительно до 40% включительно.

Содержащая антифриз текучая среда является особо желательной для применения в условиях возможных низких температур, например при установке снаружи с учетом климата в месте применения. Например, известны текучие среды, содержащие антифриз на основе этиленгликоля. Также известны не содержащие гликолей органические антифризы, преимуществом которых является отсутствие токсичности.

Текучая среда предпочтительно обладает способностью поглощать энергию солнечной радиации от 0,1 до 10 см^-1, предпочтительно порядка 1 см^-1. Поглощающая способность этого порядка величины обеспечивает почти полное поглощение при толщине приблизительно 20-30 мм. Для этого в специализированную текучую среду может добавляться один или несколько красителей, например органический жидкий краситель в концентрации от 0,2% до 1%. С этой целью также может использоваться окрашенный антифриз. Поглощающая способность не должна быть слишком сильной во избежание термической реакции во всей текучей среде и не являться поверхностной и ограниченной тонким слоем текучей среды, что приводило бы к избыточному местному нагреву поверхностного слоя текучей среды.

Текучая среда предпочтительно содержит поверхностно-активное вещество, массовая концентрация которого составляет от 0% исключительно до 3% включительно.

Текучая среда предпочтительно содержит антивспениватель, массовая концентрация которого составляет от 0% исключительно до 3% включительно.

Антивспениватель позволяет, в частности, предотвращать образование пузырьков, из-за которых может увеличиться отражательная способность поверхности текучей среды и, соответственно, снизиться ее общая поглощающая способность.

В одном из вариантов осуществления массовая концентрация порошкового минерала составляет 3%, массовая концентрация антифриза составляет 30%, массовая концентрация поверхностно-активного вещества составляет от 0,2% до 0,3%, а массовая концентрация антивспенивателя составляет от 0,2% до.0,3%.

Текучая среда предпочтительно также содержит бактерицид. Бактерицид особо желателен для применения в установках, которые должны в течение длительного времени находится при температуре окружающего воздуха, например в солнечных отопительных установках, которые работают только часть года.

В изобретении также предложено применение специализированной текучей среды в устройстве для преобразования светового излучения в тепловую энергию, в котором направляют луч света на специализированную текучую среду, которая является объектом преобразования энергии.

В изобретении также предложено устройство для преобразования светового излучения в тепловую энергию, содержащее специализированную текучую среду, способную поглощать световое излучение и являться объектом преобразования энергии. Этим устройством преимущественно является солнечный коллектор.

В основу некоторых особенностей изобретения положена идея использования наполнителя из сильно рассеивающего свет порошка, суспендированного в преобразующей энергию текучей среде, чтобы вызвать явление многократного рассеяние света в текучей среде. Такое явление способно существенно сокращать расстояние фактического распространения света в заданном объеме текучей среды и делать однородным распределение потока света в текучей среде. Таким образом, рассеяние светового излучения частицами рассеивающего порошка в сочетании с поглощением излучения, которое происходит преимущественно в жидкости, позволяет обеспечивать преобразование энергии и осуществлять нагрев существенных объемов текучей среды. Этот нагрев большого объема особо выгоден, когда желательно нагревать жидкость с относительно высокой скоростью потока при относительно умеренной температуре. В основу некоторых особенностей изобретения положена идея использования рассеивающего порошка, размеры частиц которого сравнимы с длинами волн основных составляющих солнечной радиации, чтобы способствовать явлениям резонанса, способным увеличивать эффективную площадь рассеяния частиц.

Следует напомнить, что в случае солнечной радиации большая часть энергии излучается в спектральном диапазоне от приблизительно 0,5 до приблизительно 1,6 µм, в частности от 0,5 до 0,7 µм.

Изобретение будет лучше понято, а его задачи, подробности, характеристики и преимущества станут более ясными из следующего далее описания одного из конкретных вариантов его осуществления, приведенного лишь в качестве не ограничивающего примера.

Подробное описание одного из вариантов осуществления изобретения

В одном из вариантов осуществления изобретения предложена специализированная текучая среда, особо применимая для использования в бытовом солнечном коллекторе. Эта специализированная текучая среда содержит:

воду,

порошковый карбонат кальция,

необязательно антифриз и(или) краситель,

необязательно бактерицид,

необязательно поверхностно-активное вещество и

необязательно антивспениватель.

Все приведенные далее процентные содержания указаны в процентах по весу.

Концентрацию порошкового карбоната кальция и среднюю крупность его частиц определяют с учетом, с одной стороны, поглощающей способности специализированной текучей среды и, с другой стороны, способности порошка образовывать суспензию в специализированной текучей среде. Проведенные авторами изобретения испытании показали, что поглощающая способность специализированной текучей среды и, соответственно, кпд солнечного коллектора повышаются с увеличением концентрации порошка, достигая 98% или более. Это объясняется тем фактом, что за счет характеристик изобретения специализированная текучая среда является объектом преобразование энергии.

Эти испытания также показали, что средняя крупность частиц порошка влияет на его способность образовывать суспензию и оставаться в виде суспензии в циркулирующем теплоносителе. Подразумевается, что в контексте описания термин "средняя крупность частиц" означает размер частиц, определенный с помощью лазерного прибора Malvem Mastersizer 2000, результаты измерений которого отвечают стандарту ISO 13320 (при калибровке с использованием стандартного образца (CRM)).

Были получены, в частности, следующие результаты этих испытаний.

Испытание 1 (контрольное)

Испытываемая композиция содержала только воду. Интенсивность поглощения была практически равна нолю.

Испытание 2

Испытываемая композиция содержала смесь воды (98%) и порошкового карбоната кальция (2%) со средней крупностью частиц 10 µм. Интенсивность поглощения составляла 40% при отметке уровня воды 3 см.

Испытание 3

Испытываемая композиция содержала смесь воды (95%), порошкового карбоната кальция (2,5%) со средней крупностью частиц 10 µм и антифриз (2,5%).

Интенсивность поглощения составляла 80% при отметке уровня воды 3 см.

Испытание 4

Испытываемая композиция содержала воды (от 66,7% до 66,8%), антифриза (30%), порошкового карбоната кальция (3%) со средней крупностью частиц 2 µм и поверхностно-активного вещества (от 0,2% до 0,3%). Присутствие поверхностно-активного вещества позволяет удерживать порошок во взвешенном состоянии в течение более длительного времени.

На основании результатов этих испытаний авторы изобретения установили, что концентрация порошкового карбоната кальция должна составлять от 1% до 3% и порошок должен иметь среднюю крупность частиц от 0,8 до 10 µм. Например, порошком является порошок Durcal 1 или Durcal 2, продаваемый компанией Omya SAS.

Такой порошок состоит из карбоната кальция с высокой степенью чистоты, например, более 98% и очень высокой светлотой.

В одном из вариантов осуществления порошок имеет белизну Международной комиссии по освещению (МКО), измеренную согласно DIN 6174, при которой параметр L* имеет значение от 94 до 98, и(или) параметр а* имеет значение от 0,1 до 1,5, и(или) параметр b* имеет значение от 0,5 до 4, предпочтительно параметр L* имеет значение от 94 до 98, параметр а* имеет значение от 0,1 и 1,5, а параметр b* имеет значение от 0,5 до 4. Более предпочтительно параметры L*, а*, b* белизны МКО равны преимущественно 97, 5/0, 5/2,4.

Присутствие антифриза позволяет предотвращать замерзание теплоносителя в случае отрицательной температуры. Используют, например, антифриз, предлагаемый на рынке под названием Neutragard. Концентрация антифриза может составлять от 0 до 40%, например 30%.

Поверхностно-активное вещество позволяет улучшать способность порошка образовывать суспензию и оставаться в виде суспензии в теплоносителе. Концентрация поверхностно-активного вещества может составлять от 0 до 3%, преимущественно от 0,2% до 0,3%.

Наконец, антивспениватель позволяет предотвращать образование пены, которая могла бы отрицательно сказываться на правильной работе солнечного коллектора. Концентрация антивспенивателя может составлять от 0 до 3%, преимущественно от 0,2% до 0,3%. Антивспенивателем является, например, Agitan 305 (зарегистрированный товарный знак).

Специализированная текучая среда согласно одному из примеров осуществления содержит:

добавляемую воду в количестве до 100%,

антифриз Neutragard, 30%,

порошок Durcal 1,3%,

поверхностно-активное вещество 0,2%-0,3%,

антивспениватель Agitan 305 0,2%-0,3%.

Эта специализированная текучая среда применима в бытовом солнечном коллекторе. В частности, ее различные компоненты не опасны для здоровья (в случае утечки теплоносителя в водонагреватель), являются относительно недорогими, не опасны с точки зрения повреждения установки и могут легко удаляться или повторно использоваться. Кроме того, специализированная текучая среда имеет более высокую поглощающую способность по сравнению с водой, что повышает кпд солнечного коллектора.

Специализированная текучая среда также может иметь любое иное применение, например, в быту или в промышленности, где требуется преобразование светового излучения в тепловую энергию. Может использоваться природный или искусственный луч видимого или инфракрасного света.

Хотя изобретение было описано применительно к конкретному варианту осуществления, совершенно ясно, что оно никоим образом не ограничено им, и включает все технические эквиваленты описанных средств, а также их сочетания, если они входят в пределы объема изобретения.

В частности, изобретение не ограничено использованием порошкового карбоната кальция, и в нем могут использоваться другие натуральные или синтетические порошковые минералы.

Во время изготовления специализированной текучей среды порошковый минерал может добавляться в форме сухого порошка или жидкой суспензии.

Изобретение может быть использовано в производстве бытовых солнечных коллекторов. Текучая среда, используемая в качестве теплоносителя и применимая для преобразования светового излучения в тепло, содержит воду и порошковый минерал. Порошковый минерал обладает высокой способностью рассеивать солнечную радиацию и имеет массовую концентрацию от 1% до 3% и среднюю крупность частиц от 0,8 до 10 µ. Частицы порошкового минерала с высокой рассеивающей способностью имеют средний коэффициент рассеяния световой энергии более 0,7. В качестве порошкового минерала может быть взят карбонат кальция. Текучая среда может также содержать антифриз, поверхностно-активное вещество, антивспениватель и бактерицид. Изобретение позволяет улучшить поглощающую способность текучей среды. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 пр.

1. Текучая среда, используемая в качестве теплоносителя и применимая для преобразования светового излучения в тепло, отличающаяся тем, что содержит воду и порошковый минерал, который обладает высокой способностью рассеивать солнечную радиацию и имеет массовую концентрацию от 1% до 3% и среднюю крупность частиц от 0,8 до 10 µм, при этом частицы порошкового минерала с высокой рассеивающей способностью имеют средний коэффициент рассеяния световой энергии более 0,7.

2. Текучая среда по п.1, в которой порошковый минерал с высокой рассеивающей способностью содержит карбонат кальция или синтетический или натуральный порошковый минерал.

3. Текучая среда по п.2, в которой порошковым минералом с высокой рассеивающей способностью является порошковый карбонат кальция.

4. Текучая среда по одному из предшествующих пунктов, в которой порошковый минерал с высокой рассеивающей способностью имеет среднюю крупность частиц от 1 до 3 µм.

5. Текучая среда по одному из п.п.1-3, в которой порошковый минерал с высокой рассеивающей способностью преимущественно содержит сфероидальные частицы.

6. Текучая среда по одному из пп.1-3, в которой порошковый минерал с высокой рассеивающей способностью имеет белизну МКО, измеренную согласно DIN 6174, при которой параметр L* имеет значение от 94 до 98, и(или) параметр а* имеет значение от 0,1 до 1,5, и(или) параметр b* имеет значение от 0,5 до 4.

7. Текучая среда по одному из пп.1-3, содержащая антифриз, массовая концентрация которого составляет от 0% исключительно до 40% включительно.

8. Текучая среда по одному из пп.1-3, которая имеет способность поглощать энергию солнечной радиации от 0,1 до 10 см^-1.

9. Текучая среда по одному из пп.1-3, содержащая поверхностно-активное вещество, массовая концентрация которого составляет от 0% исключительно до 3% включительно.

10. Текучая среда по одному из пп.1-3, содержащая антивспениватель, массовая концентрация которого составляет от 0% исключительно до 3% включительно.

11. Текучая среда по одному из пп.1-3, в которой массовая концентрация порошкового минерала составляет 3%, массовая концентрация антифриза составляет 30%, массовая концентрация поверхностно-активного вещества составляет от 0,2% до 0,3% и массовая концентрация антивспенивателя составляет от 0,2% до 0,3%.

12. Текучая среда по одному из пп.1-3, также содержащая бактерицид.

13. Применение текучей среды по одному из пп.1-3 в устройстве для преобразования светового излучения в тепловую энергию, в котором направляют луч света на текучую среду, которая является объектом преобразования энергии.

14. Устройство для преобразования светового излучения в тепловую энергию, содержащее текучую среду, способную поглощать световое излучение и являться объектом преобразования энергии, отличающееся тем, что в нем используется текучая среда по одному из пп.1-3.

15. Устройство по п.14, представляющее собой солнечный коллектор.