ТЕПЛООБМЕННАЯ СРЕДА Российский патент 2015 года по МПК C10L1/02 C10L1/08 C10L1/10 C10L1/12 C10L1/30 

Изобретение в целом относится к теплообменной среде для передачи тепла или холода от другой среды. Примером такой теплообменной среды является охлаждающая жидкость двигателя в транспортных средствах.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Современные автомобильные двигатели независимо от используемого в них топлива охлаждают водой. Во избежание замерзания воды при низких температурах в нее часто добавляют гликоль. Гликоль также выполняет функцию обеспечения защиты материала радиатора от коррозии. При смешивании приблизительно 50% воды и приблизительно 50% гликоля полученная композиция обычно имеет температуру замерзания приблизительно -40°C и температуру кипения чуть выше 100°C. Таким образом, существует опасность того, что охлаждающая вода начнет кипеть при высоких температурах, например, в жаркие дни. Если состав композиции изменить так, что в ней будет 60% гликоля и 40% воды, то температура замерзания опустится до приблизительно -45°C. Однако при дальнейшем повышении содержания гликоля температура замерзания снова повышается.

Недостатком гликоля является его токсичность, а в случае, если гликоль представляет собой этиленгликоль, он может быть даже смертельно токсичным. Также существует опасность замерзания охлаждающей воды, содержащей гликоль, прежде всего при низком содержании гликоля или при содержании гликоля свыше 60%. Гликоль также может со временем разлагаться, вследствие чего теряет некоторые из своих свойств. Следовательно, охлаждающую жидкость двигателя необходимо время от времени заменять.

Таким образом, существует потребность в альтернативной охлаждающей среде, лишенной вышеупомянутых недостатков, которая способна заменить содержащую гликоль воду для охлаждения, например, двигателей в транспортных средствах.

Известно, что в ряде различных систем для охлаждения применяют различные масла. Однако эти масла не подходят, например, для охлаждения двигателей в транспортных средствах. Ранее также проводили испытания со смесями этанола и воды, однако оказалось, что такие смеси проявляют склонность к испарению.

Сообщалось, что германская армия во время второй мировой войны применяла соляровое масло в качестве охлаждающей среды для двигателей, чтобы избежать замерзания охлаждающей жидкости при низких температурах. Однако при применении солярового масла возникали проблемы, связанные с тем, что оно разрушало уплотняющие прокладки и т.п. в системе охлаждения и приводило к коррозии в системе вследствие смешивания влаги и грязи с соляровым маслом, из-за чего оно приобретало кислотные свойства.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Целью изобретения является нахождение теплообменной среды, такой как охлаждающая среда, которая способна заменить воду и ее смеси с гликолем для охлаждения, например, двигателей.

Этой цели достигают с помощью охлаждающей среды по п.1 формулы изобретения. Предпочтительные воплощения изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Цели также достигают при использовании синтетического дизельного топлива по п.6 формулы изобретения и теплообменной системы по п.9 формулы изобретения.

В соответствии с изобретением воду и гликоль заменяют дизельным топливом, полученным синтетическим методом. Используемое дизельное топливо, по существу, не должно содержать полициклических алканов и ароматических углеводородов. Соответственно, в состав синтетического дизельного топлива входят нециклические алканы в количестве по меньшей мере 50%, возможно, алкилированные моноциклические алканы в количестве до 50%, не более 1% ароматических углеводородов и не более 1% ди- и полициклических алканов. Все процентные содержания указаны в процентах по массе. Данное синтетическое дизельное топливо как таковое известно; его применяют в качестве моторного топлива для дизельных двигателей различных транспортных средств, в первую очередь, транспортных средств, действующих в таких условиях, где важно минимизировать выхлопные газы, например в шахтах и на складах.

В соответствии с воплощением изобретения синтетическое дизельное топливо включает по меньшей мере 65% нециклических алканов. Предпочтительно, оно содержит не менее 70% нециклических алканов. Поскольку дизельное топливо не предназначено для сгорания, нет необходимости в том, чтобы оно содержало повышающие энергию соединения, такие как алкилированные моноциклические алканы. Скорее наоборот, предпочтительно уменьшить их процентное содержание, чтобы тем самым дополнительно понизить воспламеняемость дизельного топлива. Таким образом, согласно предпочтительному воплощению процентное содержание алкилированных моноциклических алканов предпочтительно составляет не более 25%, более предпочтительно не более 10%.

В соответствии с дополнительным воплощением изобретения синтетическое дизельное топливо включает не более 0,5% ароматических углеводородов и/или не более 0,5% полициклических алканов.

Синтетическое дизельное топливо является трудно воспламеняемым. Однако, если требуется, в него можно добавить огнестойкую присадку, когда оно предназначено для использования в качестве теплообменной среды, такой как охлаждающая среда. Примерами огнестойких присадок являются борная кислота и борсодержащая соль.

Также можно добавить в теплообменную среду краситель, чтобы таким образом ее можно было легко отличить от других жидкостей. Например, когда теплообменная среда является охлаждающей жидкостью для двигателя в транспортных средствах, ей можно придать цвет, отличающийся, например, от жидкости для омывания ветровых стекол, других охлаждающих жидкостей для двигателя и т.д., чтобы избежать ошибок при использовании этих жидкостей.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение основано на открытии, состоящем в том, что можно заменить смеси воды и гликоля чистым синтетическим дизельным топливом в качестве охлаждающей среды, что позволит обеспечить охлаждение в более широком диапазоне температур, а также преодолеть проблему токсичности гликоля.

Обычное дизельное топливо, получаемое, например, из нефти, содержит много различных остаточных веществ. Именно из-за этих остаточных веществ дизельное топливо вредно для окружающей среды и может представлять серьезную опасность для целых экосистем, например в морях или озерах. Даже если бы обычное дизельное топливо могло функционировать в качестве охлаждающей среды, это совершенно неприемлемо по нескольким причинам. Прежде всего, обычное дизельное топливо оказывает неблагоприятное воздействие на окружающую среду и в силу этого представляет повышенную экологическую опасность. Далее, обычное дизельное топливо может подвергаться опасности разложения при контакте с водой и грязью, что вызовет коррозию в системе охлаждения. Кроме того, оно содержит летучие углеводороды, которые могут представлять угрозу здоровью. Кроме того, в определенных случаях может возникнуть опасность его воспламенения, например, при столкновении транспортного средства.

Таким образом, согласно изобретению применяют полученное синтетическим методом дизельное топливо, которое, по существу, не содержит примесей, из-за которых дизельное топливо может быть вредно для окружающей среды и подвержено опасности воспламенения. Существенной частью изобретения является то, что дизельное топливо, по существу, не содержит примесей, поскольку благодаря этому свойству оно становится приемлемым в качестве охлаждающей среды или теплообменной среды другого типа.

У синтетического дизельного топлива температура кипения намного выше, чем у смесей воды и гликоля, точнее, она превышает по меньшей мере 200°C, и поэтому синтетическое дизельное топливо можно использовать при намного более высокой температуре, чем смесь воды и гликоля. Кроме того, его температура замерзания приблизительно равна -40°C, что делает его пригодным для применения также и в условиях очень холодного климата. Соответственно, синтетическое дизельное топливо можно использовать в более широком температурном диапазоне, чем смеси воды и гликоля. Например, синтетическое дизельное топливо очень хорошо функционирует как охлаждающая жидкость двигателя в транспортных средствах, работающих при высоких температурах, например, в очень жаркие дни и под воздействием солнца.

Кроме того, синтетическое дизельное топливо очень трудно воспламеняется, и поэтому оно легко может заменить различные водные смеси в системах охлаждения в транспортных средствах без угрозы пожара или взрыва при возможном столкновении или в аналогичных обстоятельствах.

Синтетическое дизельное топливо также обладает способностью уменьшать коррозию, например, в каналах подачи охлаждающей жидкости в двигателях и системах обогрева и оказывает смазывающее воздействие на насос, обеспечивающий циркуляцию охлаждающей среды. Это, в свою очередь, увеличивает срок службы других частей систем охлаждения и обогрева.

Кроме того, синтетическое дизельное топливо не подвержено испарению и поэтому не требует, как в случае обычной охлаждающей среды, доливки в систему теплопередачи, такую как радиатор транспортного средства. Оно также не токсично и не представляет какой-либо другой угрозы для окружающей среды или пользователя, в отличие, например, от гликоля.

Кроме того, у синтетического дизельного топлива теплопроводность выше, чем у воды, что позволяет добиться большей эффективности систем теплопередачи.

Синтетическое дизельное топливо можно легко получить с помощью традиционных способов, например, способа Фишера-Тропша, либо из биомассы, либо из газа. Также практически осуществимо получение синтетического дизельного топлива из угля. С помощью способа Фишера-Тропша возможно получить синтетическое дизельное топливо, имеющее очень высокую чистоту, поскольку оно, по существу, не содержит ароматических углеводородов, полиароматических углеводородов (ПАУ) и серы. Из-за очень низкого процентного содержания остаточных веществ синтетическое дизельное топливо совершенно не токсично и даже поддается биологическому разложению. Кроме того, синтетическое дизельное топливо очень трудно воспламеняется и в принципе не имеет запаха.

Синтетическое дизельное топливо особенно хорошо подходит для применения в теплообменных системах в качестве теплообменной среды, т.е. среды, которая передает тепло или холод в другую среду. Оно также пригодно для применения в качестве охлаждающей среды, прежде всего, как заменитель в системах, где в настоящее время используют смеси гликоля и воды. Конкретным примером подходящей области применения является охлаждающая жидкость двигателя транспортных средств, таких как легковые автомобили, катера, тракторы, грузовые автомобили/тягачи, автобусы и т.д.

Использование синтетического дизельного топлива в системах охлаждения дизельных двигателей особенно предпочтительно, т.к. синтетическое дизельное топливо обладает смазочным эффектом по отношению к системе охлаждения. Кроме того, исключена опасность существенного ущерба из-за утечки моторного топлива в радиаторную систему; такая утечка может оказать разрушающее воздействие, если в качестве охлаждающей среды применяют воду с гликолем. Однако, когда в качестве охлаждающей жидкости двигателя используют синтетическое дизельное топливо, отсутствует опасность повреждения из-за утечки моторного топлива в систему, поскольку охлаждающая жидкость двигателя и моторное топливо совместимы друг с другом. Более того, возможная утечка охлаждающей жидкости двигателя в систему смазки двигателя не представляет никакой угрозы повреждения, так как охлаждающая жидкость двигателя совместима с другой средой в системе смазки. Поскольку дизельное топливо имеет такую высокую чистоту, оно также не вызывает угрозы разрушения уплотнительных прокладок и аналогичных деталей в системе охлаждения.

Хотя изобретение описано со ссылкой на охлаждение двигателей в транспортных средствах, следует иметь в виду, что изобретение не ограничено этим применением. Его также можно использовать в качестве охлаждающей среды во всех типах двигателей, которые в настоящее время охлаждают водой. Допустимо также использовать его в качестве теплообменной среды в отопительных и охлаждающих системах жилых и промышленных зданий. Синтетическое дизельное топливо также можно применять в качестве охлаждающей среды для охлаждения таких инструментов, как фрезы, сверлильное оборудование, токарные станки и т.д.

ПРИМЕРЫ

Пример 1

Имеющееся в продаже синтетическое дизельное топливо для использования в дизельных двигателях в рамках применения синтетического дизельного топлива по изобретению, представляет собой Shell GTL G75, являющееся синтетическим жидким топливом (GTL), получаемым с помощью способа Фишера-Тропша. Shell GTL G75 также известно под торговыми марками Shellsol GP1 и Shell Gasoil, и все эти разновидности являются продукцией Shell, имеющей коды Q6526 и/или CAS номер 848301-67-7.

Химический состав Shell GTL G75 (т.е. Shellsol GP1 и Shell Gasoil) подпадает под состав синтетического дизельного топлива, описанного в настоящей заявке:

- Нормальные алканы - 16,9 мас.%

- Разветвленные матилалканы - 26,0 мас.%

- Разветвленные диметил/этил алканы - 34 мас.%

- Тяжелые разветвленные алканы - 21,3 мас.%

- Моноциклические алканы (смесь алкилированных и неалкилированных) - 1,8 мас.%

- Дициклические алканы - 0,0 мас.%

- Трициклические алканы - 0,0 мас %

- Ароматические соединения - <0,05 мас.%

Дополнительно имеющееся в продаже синтетическое дизельное топливо для использования в дизельных двигателях в качестве теплообменной средды по изобретению представляет собой Neste Oil BTL, являющееся жидким биотопливом (BTL). Neste OIL BTL также именуют NExBTL и используют в качестве топлива в дизельных двигателях. Топлива NExBTL единственные, которые включают линейные и разветвленные алканы и максимум 1,0 мас.% ароматических соединений.

Проведены сравнительные испытания для определения различия в параметрах теплопроводности и удельной теплоемкости нефтяного дизельного топлива (торговая марка "OKQ8 Eldningsolja") и имеющихся в продаже синтетических дизельных топлив Shell GTL G75 и Neste 23 BTL, химический состав которых подпадает под состав синтетического дизельного топлива, описанного в настоящей заявке.

Ниже в таблице представлены результаты сравнительных испытаний, откуда ясно и однозначно следует, что предлагаемые синтетические дизельные топлива имеют более высокую теплопроводность по сравнению с нефтяным дизельным топливом.

Более того, проведены сравнительные испытания для определения различия в параметрах удельной теплоемкости (Ср) у синтетических дизельных топлив по изобретению и нефтяного топлива. Из результатов сравнительных испытаний ясно и однозначно следует, что предлагаемые синтетические дизельные топлива имеют более высокую удельную теплоемкость по сравнению с нефтяным дизельным топливом при всех температурах в интервале от -20°C до 200°C.

Таким образом, синтетическое дизельное топливо отличается от нефтяного дизельного топлива тем, что имеет более высокую теплопроводность и более высокую теплоемкость. Указанное различие обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в том, что предлагаемое синтетическое дизельное топливо является более хорошей охлаждающей средой по сравнению с нефтяным дизельным топливом.

Пример 2

Теплообменная система по изобретению может иметь специфические воплощения, представленные на фиг. 1 и 2, где изображены системы для холодных текучих сред, включающих синтетические дизельные топлива. Описаны испытательные установки для определения различных характеристик синтетических дизельных топлив в рамках изобретения.

Испытательные установки на фиг. 1 и 2 использовали для определения характеристик синтетического дизельного топлива при температурах, например, -30°C и +150°C соответственно. Испытательные установки можно смонтировать на одной раме, размер которой составляет примерно 2×1,2×1 м. Более того, испытательные установки могут быть выполнены мобильными посредством снабжения их колесами; кроме того, испытательные установки предпочтительно охлаждают воздухом во избежание соединения установок с водной охлаждающей системой.

Испытательная установка, показанная на фиг. 1, предназначена для испытания холодных синтетических дизельных топлив при температуре от -10°C до -30°C. Важно отметить, что требуется теплообменная система с низкими температурами испарения, примерно -35°C, чтобы иметь дело с охлаждающими жидкостями в интервале температур от -10°C до -30°C.

Охладитель (1) с охлаждающей средой R404a можно использовать с испытательной установкой с фиг. 1. При прохождении конденсатора (2) тепло выделяется от испытываемой текучей среды (т.е. синтетического дизельного топлива) и, таким образом, она приобретает температуру около -30°C. Затем холодную текучую среду прокачивают через регулируемый измерительный путь потока, где поток можно согласовать с типом текучей среды.

Посредством регистрирующего устройства, соединенного с компьютером, расходомером (3) Coriolis регистрируют массовый расход. Также во время прохода через измерительный путь потока измеряют перепад давления и температуру текучей среды. Поскольку размеры измерительного пути (4) потока известны, вязкость текучей среды при данной температуре можно рассчитать. После определения вязкости текучая среда проходит через регулируемый нагреватель (5), входная мощность которого регистрируется посредством измерителя (6) мощности. Перед проходом в нагреватель и после него измеряют температуру текучей среды, определяя ее изменение. Поскольку массовый расход известен, теплоемкость текучей среды можно рассчитать.

После измерительного пути потока размещен стеклянный приемник (7) для возможности наблюдений за изменениями текучей среды. В указанный стеклянный приемник (7) можно поместить кусочки металла или иных материалов для определения коррозионной стойкости в текучей среде.

Поток можно регулировать дополнительно, предпочтительно насосом (8) переменной емкости, чтобы обеспечить изменения при различных температурах для различных синтетических дизельных топлив. Перед тем, как поток достигнет конденсатора (2) вновь, он проходит через другой регулируемый нагреватель (10), контролируемый ПИД-контроллером (PID-regulator) (11), задачей которого является стабилизация и регулирование уровней температуры на измерительном пути потока.

Традиционный пластинчатый теплообменник можно использовать в качестве конденсатора (2). Однако также можно применять теплообменники нового типа, выполненные из алюминия и снабженные миниканалами.

Для получения оптимального потока, а также оптимальной теплопередачи (19), испытательная установка с фиг. 1 может дополнительно включать один или более компрессоров (12), термопар (13), терморегулирующих расширительных вентилей (14), блокирующих клапанов (16) и датчиков давления (20).

Испытательную установку, показанную на фиг. 2, используют при температурах выше +150°C. Эта установка работает по такому же принципу, что и установка с фиг. 1; различие заключается в том, что охладитель в этом случае не нужен. Вместо него можно использовать маленький вентилятор (18), чтобы отводить от теплообменной системы изл

Изобретение описывает охлаждающую среду, которая в основном состоит из синтетического дизельного топлива, включающего нециклические алканы в количестве, по меньшей мере, 50%, возможно, алкилированные моноциклические алканы в количестве до 50%, не более 1% ароматических углеводородов и не более 1% ди-полициклических алканов. Раскрывается применение синтетического дизельного топлива в качестве теплообменной среды. Также раскрывается теплообменная система, включающая устройство, выполненное с возможностью вмещения жидкой среды для теплообмена. Синтетическое дизельное топливо имеет низкую температуру замерзания, что делает его пригодным в условиях очень холодного климата. Также оно обладает способностью уменьшать коррозию и оказывать смазывающее воздействие на насос, обеспечивающий циркуляцию охлаждающей среды. 3 ни 10 з.п. ф-лы, 2 ил.,2 пр., 2 табл.

1. Охлаждающая среда, отличающаяся тем, что она в основном состоит из синтетического дизельного топлива, включающего нециклические алканы в количестве по меньшей мере 50%, возможно, алкилированные моноциклические алканы в количестве до 50%, не более 1% ароматических углеводородов и не более 1% ди- и полициклических алканов.

2. Охлаждающая среда по п. 1, отличающаяся тем, что синтетическое дизельное топливо содержит по меньшей мере 65% нециклических алканов, предпочтительно не менее 70% нециклических алканов.

3. Охлаждающая среда по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что синтетическое дизельное топливо содержит не более 0,5% ароматических углеводородов.

4. Охлаждающая среда по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что синтетическое дизельное топливо содержит не более 0,5% полициклических алканов.

5. Охлаждающая среда по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что она также содержит огнестойкую присадку, где указанная огнестойкая присадка выбрана из борной кислоты и борсодержащей соли.

6. Применение синтетического дизельного топлива, включающего нециклические алканы в количестве по меньшей мере 50%, возможно, алкилированные моноциклические алканы в количестве до 50%, не более 1% ароматических углеводородов и не более 1% ди- и полициклических алканов, в качестве теплообменной среды.

7. Применение синтетического дизельного топлива по п. 6, где синтетическое дизельное топливо содержит по меньшей мере 65% нециклических алканов, предпочтительно не менее 70% нециклических алканов.

8. Применение синтетического дизельного топлива по п. 6 или 7, где синтетическое дизельное топливо содержит не более 0,5% ароматических углеводородов.

9. Применение синтетического дизельного топлива по п. 6 или 7, где синтетическое дизельное топливо содержит не более 0,5% полициклических алканов.

10. Применение синтетического дизельного топлива по п. 6 или 7, где синтетическое дизельное топливо также содержит огнестойкую присадку и где указанная огнестойкая присадка выбрана из борной кислоты и борсодержащей соли.

11. Применение синтетического дизельного топлива по любому из пп. 6-10, где теплообменная среда является охлаждающей средой.

12. Применение синтетического дизельного топлива по любому из пп. 6-11 в качестве охлаждающей жидкости двигателя в транспортных средствах.

13. Теплообменная система, включающая устройство, предназначенное для теплообмена, причем указанное устройство выполнено с возможностью вмещения жидкой среды для теплообмена, отличающаяся тем, что указанная среда для теплообмена представляет собой синтетическое дизельное топливо, включающее нециклические алканы в количестве по меньшей мере 50%, возможно, алкилированные моноциклические алканы в количестве до 50%, не более 1% ароматических углеводородов и не более 1% ди- и полициклических алканов.