ТЕПЛОНОСИТЕЛЬ ДЛЯ СОЛНЕЧНОГО КОЛЛЕКТОРА Российский патент 2015 года по МПК C09K5/08 F24J2/48 B82B1/00 

Изобретение относится к составам органических теплоносителей, а именно к жидким пожаробезопасным теплоносителям на водно-гликолиевой основе, используемым для преобразования электромагнитного излучения Солнца в тепловую энергию для нагрева жидкого светоабсорбирующего седиментационно устойчивого теплоносителя.

Солнечные системы - системы, собирающие солнечную энергию и преобразующие ее в тепло, в последнее время приобретают все большую популярность. Солнечный коллектор - это основной элемент установок, с помощью которых происходит преобразование энергии излучения солнца в другую форму полезной энергии. Наиболее широко распространены коллекторы, которые преобразуют излучение солнца в тепловую энергию. Коллекторы такого типа воспринимают излучение от солнца, преобразуют его в тепло и передают это тепло какому-то теплоносителю.

В качестве теплоносителей для систем отопления, используемых в быту и в промышленных сооружениях, может быть использована воды, однако высокая температура кристаллизации (0°C) может привести к «размораживанию» системы отопления в зимний период. Поэтому в качестве теплоносителя наиболее часто применяют водно-гликолевые смеси. Гликоли - многоатомные спирты - этиленгликоль (1,2 этандиол), пропиленгликоль (1,2-пропандиол), глицерин - имеют низкую температуру кристаллизации до -70°C и в смеси с водой замерзают при отрицательных температурах.

Недостатком водно-гликолиевых жидкостей как теплоносителей является их высокая коррозионная активность, объясняющаяся действием агрессивных низкомолекулярных кислот (муравьиной, щавелевой и др.), образующихся при окислении гликолей [Химическая промышленность. 1973. - N 7. - с.511]. Для предотвращения негативного воздействия теплоносителя на элементы конструкции отопительной системы в водно-гликолевую основу вводят различные присадки и ингибиторы коррозии.

Известны следующие составы незамерзающих теплоносителей на основе водно-гликолевых смесей. Теплоноситель, содержащий, мас.%: этиленгликоль - 50,00-53,00; бензоат натрия - 4,00-6,00; динатрий фосфат - 1,00-1,18; нитрит натрия - 0,10-0,13; пеногаситель ПМС-200А (полиметилсилоксан) - 0,001-0,010; флуоресцеин натриевая соль (уранин) - 0,005-0,010 (краситель); дистиллированная вода - остальное [Патент РФ №2182585].

Теплоноситель, содержащий, мас.%: глицерин - 3,0-35,0; диэтиленгликоль - 30,0-60,0; бензойная кислота - 1,81-2,01; гидрооксид натрия - 0,7-0,9; тетраборат натрия - 0,85-1,15; нитрит натрия - 0,09-0,13; нитрат калия - 0,02-0,04; флуоресцеин натриевая соль (уранин) - 0,001-0,002; вода - остальное [Патент РФ №2009158]

Теплоноситель, содержащий, мас.%: вода дистиллированная - 33,41-41,92; этиленгликоль - 54,314-62,33; гидрооксид натрия - 0,791-0,912; бензойная кислота - 2,11-2,37; бура - 0,622-0,713; нитрит натрия - 0,121-0,142; нитрат калия - 0,030-0,034; флуоресцеин натриевая соль (уранин) - 0,0007-0,0012; пеногаситель ПМС-200А (полиметилсилоксан) - 0,0006-0,0013; метасиликат натрия 9-водный - 0,063-0,0734 [Патент №1806162].

Теплоноситель, содержащий, мас.%: полиалкиленгликоль - 0,1-20,0; бензоат щелочного металла - 1,6-3,5; тетраборат натрия - 0,3-1,0; нитрит натрия - 0,06-0,2; натриевая соль 2-меркаптобензтиазола - 0,005-0,02; силикат щелочного металла - 0,005-0,06; пеногаситель - 0,002-0,02; краситель - 0,001-0,005; вода - 3,0-45,0; моноэтиленгликоль - остальное [Патент РФ №2159789].

Однако присадки обычных автомобильных тосолов не рассчитаны на длительную и интенсивную эксплуатацию в бытовых системах отопления ввиду высокой токсичности.

Наименее опасным для здоровья антифризом может служить пропан-1,2-диол (пропиленгликоль). Этот относительно недорогой антифриз может быть также использован в смеси с водой, что позволит существенно снизить стоимость, не влияя негативным образом на эксплуатационные характеристики системы.

Известен состав теплоносителя, содеражащий, мас.%: спирт до 90-95, преимущественно этиленгликоль; 0,1-5,0 органическую добавку - алифатическую одноосновную кислоту С6-С12 или ее соль; 0,1-5,0 тетрабората натрия; 0,1-5,0 толилтриазола или бензотриазола. Для приготовления рабочего теплоносителя концентрат разбавляют добавлением 25-75 мас.% воды [7-US №4759864]. Указанный теплоноситель используется в системах охлаждения двигателей внутреннего сгорания при температурах до плюс 80°C, обладает хорошими антикоррозионными свойствами по отношению ко всем конструкционным материалам указанных систем. Однако по вспениваемости превышает установленные ГОСТ-ом допустимые пределы, кроме того, присутствие в составе соединений класса триазолов снижает его экологическую безопасностью.

Использующийся в солнечном коллекторе теплоноситель кроме перечисленных выше свойств - низкой температуры кристаллизации, низкой коррозионной активности, низкой токсичностью - должен обладать высокой теплоемкостью и высокой теплопроводностью. Теплопроводность определяет скорость нагрева теплоносителя в коллекторе. Поскольку теплоноситель постоянно движется и находится в коллекторе под воздействием солнечной радиации весьма ограниченное время, скорость нагрева теплоносителя является важнейшей характеристикой, определяющей эффективность работы такой системы в целом. Для повышения скорости нагрева целесообразно использовать светоабсорбирующий теплоноситель, имеющий в своем составе нанодисперсные или молекулярнодисперсные компоненты, поглощающая способность которых будет больше, чем у теплоносителя.

Известен способ, когда в прозрачную жидкость-теплоноситель добавляют мелкоструктурную ферромагнитную композицию, увеличивающую светопоглощающие свойства полученной суспензии, например порошковый кобальт или порошок окиси железа, а также диссоциирующие в жидкости-теплоносителе красители, в качестве которых могут использоваться анилиновые красители, синька или тушь [RU 2395043]. Однако наличие в жидкости ферромагнитных частиц создает определенные технологические трудности, а именно необходимость введения в конструкцию магнитной ловушки, поскольку металлические частицы, имеющие в 5-6 раз более высокую плотность, чем жидкая фаза теплоносителя, делают теплоноситель седиментационно неустойчивым. В результате осаждения частиц металла в поле силы тяжести будут возникать их скопления в наиболее узких каналах системы, что приведет к выходу ее из строя. Кроме того, предложенные металлы сами являются коррозионно нестабильными в водных растворах. Большая площадь поверхности частиц дисперсной фазы будет способствовать высокой скорости их окисления с образованием гелей, что сделает систему еще более нестабильной.

Наиболее близким к заявленному объекту по технической сущности является теплоноситель, по патенту РФ №2139907, который выбран за прототип. В изобретении для передачи или отвода тепла в тепловой аппаратуре технологических процессов различных отраслей промышленности предложен теплоноситель следующего состава, мас.%: этиленгликоль, или диэтиленгликоль, или пропиленгликоль 50-65; тетраборат натрия 0,5-1,0; пиперазин 0,02-0,1; вода - остальное. Жидкий теплоноситель пожаробезопасен, не обладает вспениваемостью, коррозионно инертен к стали, термически стабилен в интервале температур от минус 45 до плюс 110°C, может использоваться как хладагент.

Недостатками данного теплоносителя являются его прозрачность, которая не позволяет достичь требуемых значений абсорбции тепла в виде энергии поглощенного светового потока.

Техническим результатом изобретения является создание светоабсорбирующего седиментационно устойчивого теплоносителя, содержащего компоненты, не увеличивающие пожароопасность и вспениваемость матрицы, устойчивые к окислению в среде теплоносителя и к агрегации, имеющие черный цвет, который обеспечит максимальное светопоглощение.

Поставленная задача решается благодаря введению нанодисперсного углерода или органического вещества - нигрозина - в количестве 0,5 мас. % и 0,1 мас. % соответственно в состав теплоносителя на водно-гликолевой основе, что приводит к резкому увеличению скорости нагрева теплоносителя и увеличению эффективности работы солнечного коллектора с жидким теплоносителем.

Технический результат предлагаемого состава теплоносителя достигается за счет изменения состава теплоносителя и введения в него наносветоабсорбирующих компонентов, что положительно влияет на свойства всей системы жидкостного коллектора.

Положительный эффект заключается в том, что при использовании светоабсорбирующего седиментационно устойчивого теплоносителя в солнечном коллекторе наночастицы углерода или нигрозина абсорбируют солнечное излучение более интенсивно, чем прозрачный теплоноситель. Скорость нагрева теплоносителя при прочих равных условиях в первые минуты увеличивается в 5-6 раз. Таким образом, за одинаковый промежуток времени система аккумулирует в 5-6 раз более тепла, что и повышает эффективность ее использования.

Пример 1.

Теплоноситель состава, мас. %: 1,2-пропандиол - 50; активный уголь (дисперсность 107 м^-1) - 0,5; остальное - вода, подвергался термообработке при 100°C в течение 3 часов.

Измерения проводились на макете жидкостного коллектора, размер светоабсорбера 30×40 см, толщина поглощающего слоя 2 см, с обеих сторон коллектора использовалось стекло толщиной 4 мм, теплоизолирующей подложки в системе не предусмотрено. Теплоемкость коллектора рассчитывалась на основании массы части стекла, участвующего в теплообмене, и средней удельной теплоемкости стекла 0,84 кДж/(кг·К). Температура окружающей среды 22-24°C. В ходе испытаний производились замеры температуры теплоносителя, светового потока падающего на коллектор и прошедшего через светоабсорбер. Интенсивность светового потока измерялась с помощью Auto Ranging Light Meter СЕМ DT-1309 с точностью 0,1 лк.

Поглощение светового потока составило 99,8%, скорость нагрева теплоносителя в начальный период - 1,2 град/мин. Скорость нагрева теплоносителя состава, мас. %: 1,2-пропандиол - 50, вода - 50 (без светообсорбирующей компоненты), - 0,2 град/мин. Таким образом, скорость нагрева возрастает в 6 раз.

Пример 2

Теплоноситель состава, мас. %: 1,2-пропандиол - 50; нигрозин - 0,1; остальное - вода.

Измерения по примеру 1

Поглощение светового потока составило 99,5%, скорость нагрева теплоносителя в начальный период - 0,98 град/мин. Скорость нагрева теплоносителя состава, мас. %: 1,2-пропандиол - 50, вода - 50 (без светообсорбирующей компоненты), - 0,2 град/мин. Таким образом, скорость нагрева возрастает почти в 5 раз.

Изобретение относится к органическим теплоносителям, а именно к жидким пожаробезопасным теплоносителям на водно-гликолиевой основе, используемым для преобразования электромагнитного излучения Солнца в тепловую энергию для нагрева теплоносителя. Теплоноситель седиментационно устойчивый для солнечного коллектора включает 50 мас. % 1,2-пропандиола, 0,5 мас. % нанодисперсного углерода или 0,1 мас. % нигрозина и остальное - воду. Предложенный теплоноситель обладает повышенной светоабсорбирующей способностью, составляющей 99,8% при наличии нанодисперсного углерода и 99,5% при наличии в нем нигрозина, что обеспечивает увеличение скорости нагрева теплоносителя в 5-6 раз и увеличение эффективности работы солнечного коллектора с жидким теплоносителем. 2 пр.

Теплоноситель седиментационно устойчивый для солнечного коллектора, включающий 50 мас. % 1,2-пропандиола, 0,5 мас. % нанодисперсного углерода или 0,1 мас. % нигрозина и остальное - воду.