CN101955753A - 传热流体 - Google Patents

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Abstract

作为能量转换场所的特效流体，特征在于其包括水、强烈散射性矿物粉末(通常是碳酸钙)、防冻剂和/或着色剂，表面活性剂以及消泡剂，所述粉末具有在1％和3％之间的质量浓度和在0.8和10μm之间的中值粒径。

Description

传热流体
技术领域
本发明涉及一种特效流体，它是能量转换的场所并且还是传热流体，因此被称为“特效”。
背景技术
许多传热流体是已知的并且在各种应用中使用。空气和水由于它们天生的可用性而经常被使用。其它类型的已知传热流体为有机流体，熔盐以及液态金属。
当为了特殊应用而选择传热流体时，应该考虑几个标准：
-流体的吸收率。
-其所使用的温度范围：最高温度和最低温度。
-效率随时间的持续性：流体对于设备所使用的材料的侵蚀性，腐蚀或者结垢的风险，等等。
-安全规则：燃烧风险，电气风险，着火风险，爆炸风险，中毒风险，与加压装置相关的风险，流体的处理和回收规定。
-技术-经济学标准：投资和运行费用。
在家用太阳能收集器用于加热住所的家用水的情况下，通常使用的传热流体为水和防冻剂的混合物。这是因为这种流体很好的满足了此类型的应用的所有上述标准。
然而，这种流体具有有限的吸收率并且因此太阳能收集器必须由此被设计成能提高光热转化率。太阳能收集器的产量受到限制。
US 4083490描述了一种用于吸收日光辐射的收集器，包括一种由乙二醇，水以及含有约1μm粒子的胶状石墨悬浮体组成的吸收介质。胶状石墨悬浮体表现为精细分开的黑体，其直接吸收大量的辐射能量。
发明概述
本发明致力于解决的问题是提供一种特别适合用于家用太阳能收集器的特效流体。特别地，本发明的目的是提高这种特效流体的吸收率。
本发明提出的解决解决方案是一种特效流体，特征在于其包括水和强烈散射日光辐射的矿物粉末，所述强烈散射性矿物粉末具有在1％和3％之间的质量浓度和在0.8和10μm之间的中值粒径。
已经注意到的是，依靠这些特征，所述特效流体成为能量转换的场所和因此呈现高的吸收率。这种用于太阳能收集器的流体因此能够提高收集器的能量产量。此外，太阳能收集器能够被设计成将光线导向该流体而不需要其它促进能量转换的措施。
有利地，所述强烈散射性矿物粉末的粒子具有平均大于0.7、优选大于0.9的光能量散射系数。这种能量散射系数能够利用反射计进行测量，例如采用使用积分球的测量方法。在该方法中，放置在大致球状的收集器的中心的粒子接收入射的光线能量流。大致球状的收集器测量被整个空间内的粒子散射的能量流。能量散射系数被定义为总的散射流与入射流之比。散射系数与1的差值构成粒子的能量吸收系数。
有利地，所述强烈散射性矿物粉末包括碳酸钙，或者合成的或天然的矿物粉末。根据一个实施方案，所述强烈散射性矿物粉末是碳酸钙粉末。
优选地，所述强烈散射性矿物粉末具有在1和3μm之间的中值粒径。
优选地，所述强烈散射性矿物粉末基本上由类似球体的粒子构成。这样的形状能促进光线散射。
优选地，所述流体包括防冻剂，防冻剂的质量浓度在0％和40％之间，不包括下限0％，包括上限40％。
对于可能暴露在低温中的应用，例如在室外的装置中，根据装置所处的区域的气候，防冻剂流体是特别希望的。例如，基于乙二醇的防冻剂流体是可用的。无二醇(glycol-free)的有机防冻剂也是可用的，其具有无毒的优点。
优选地，流体对日光辐射的能量吸收率在0.1和10cm-1之间，优选为大约为1cm-1。吸收率的该数量级使得在约20到30mm的厚度之后几乎完全吸收。因此，一种或多种着色剂可以被加入到该特效流体中，例如浓度在0.2％和1％之间的有机液体着色剂。已着色的防冻剂产品同样可以应用于此目的。吸收率不应当太强以便能量转换发生在流体的主体中，而不是局限在流体的薄层的表层吸收，表层吸收会产生流体的表层的过度局部加热。
优选地，该流体包括表面活性剂，表面活性剂的质量浓度在0％和3％之间，不包括下限0％，包括上限3％。
优选地，该流体包括消泡剂，消泡剂的质量浓度在0％和3％之间，不包括下限0％，包括上限3％。
消泡剂产品有可能特别地阻止泡沫的形成，泡沫可能增加流体的表面反射率，并且因此降低其总的吸收率。
根据一个实施方案，矿物粉末的质量浓度为3％，防冻剂的质量浓度为30％，表面活性剂的质量浓度在为0.2％和0.3％之间，并且消泡剂的质量浓度在0.2％和0.3％之间。
优选地，该流体还包括杀菌产品。杀菌产品对于不得不长时间保持在环境温度下的装置的应用尤其是希望的，例如只在一年中的部分时间里运行的太阳能加热装置。
本发明还提出了特效流体在将光辐射转换为热能的设备中的用途，其中光射线被导向所述特效流体，该特效流体成为能量转换的场所。
本发明还提出一种将光辐射转换为热能的设备，包括布置成能够接收光辐射以成为能量转换场所的特效流体。有利地，这种设备包括太阳能收集器。
本发明的某些方面均基于的构思是，在能量转换流体中使用悬浮的强烈散射光线的粉末作为填料，由此在流体中产生多重光线散射的现象。这样的现象能够大大地增加在给定的流体体积中光线的实际传播距离并且使得流体中光线流的分布均匀。因此，由散射性粉末的粒子散射出的光线辐射与主要发生在液体内的辐射吸收相结合，能够在流体的主体体积内产生能量转换和加热。这种在主体体积内的加热尤其适用于期望在相对温和的温度下加热相对高流速的流体的应用。本发明的某些方面均基于的构思是，使用粒径和日光辐射的主要成分的波长相当的散射性粉末，目的是增强能够增大粒子有效散射横截面的共振现象。
回顾发现，在日光辐射中，大部分能量位于大约0.5到大约1.6μm，特别是在0.5和0.7μm的光谱范围内。
通过下面的仅仅由非限制性的示例方法给出的本发明的一个具体实施方案的描述，对本发明的理解将更加清晰，并且其它目的、细节、特征以及优点都将显得更加清晰。
本发明的实施方案的详细描述
在一个实施方案中，本发明提出了一种尤其适用于家用太阳能收集器的特效流体。该特效流体包括：
-水，
-碳酸钙粉末，
-可选择地，防冻剂和/或着色剂，
-可选择地，杀菌剂，
-可选择地，表面活性剂，和
-可选择地，消泡剂。
下面标示的所有百分数都是质量百分数。
碳酸钙粉末的浓度及其中值粒径的确定一方面需要考虑特效流体的吸收率，另一方面需要考虑粉末悬浮在特效流体中的能力。发明者所做的测试显示，特效流体的吸收率及由此得到的太阳能收集器的产量，随着粉末的浓度的增加而增长，并且然后达到98％或者更多。这归功于这样的事实，依靠本发明的特征，特效流体成为能量转换的场所。
这些测试还显示出，粉末的中值粒径对其在循环传热流体中的悬浮能力和保持悬浮的能力有影响。在本说明书的上下文中，术语“中值粒径”的意思是在Malvern Mastersizer2000激光粒度仪上检验的粒径，该粒度仪的度量衡符合ISO 13320标准(使用已验证的参比材料(CRM)进行校准)。
这些测试的结果具体如下：
-测试1(对比)：测试的组合物仅为水。吸收强度实际上为零。
-测试2：测试的组合物为水(98％)和中值粒径为10μm的碳酸钙粉末(2％)的混合物。对于3cm的水高度，吸收强度为40％。
-测试3：测试的组合物为水(95％)，中值粒径为10μm的碳酸钙粉末(2.5％)以及防冻剂(2.5％)的混合物。
对于3cm的水高度，吸收强度为80％。
-测试4：测试的组合物为水(在66.7％和66.8％之间)、防冻剂(30％)、中值粒径为2μm的碳酸钙粉末(3％)以及表面活性剂(在0.2％和0.3％之间)的混合物。表面活性剂的存在使得粉末能够在一个较长的时间段内保持悬浮。
发明者通过这些测试推断出碳酸钙粉末的浓度应该在1％到3％之间并且粉末应该具有在0.8和10μm之间的中值粒径。例如，该粉末为Omya SAS公司出售的Durcal 1或者Durcal 2粉末。
这样的粉末由高纯度的，例如大于98％的，碳酸钙组成，并且具有很高的亮度。
根据一个实施方案，该粉末具有根据DIN6174测定的CIE白度，以使得参数L*等于在94和98之间的值，和/或使得参数a*等于在0.1和1.5之间的值，和/或使得参数b*等于在0.5和4之间的值，并且优选地使得参数L*等于在94和98之间的值，参数a*等于在0.1和1.5之间的值，并且参数b*等于在0.5和4之间的值。根据DIN 6174测量的CIE L*、a*、b*白度更优选大约等于97.5/0.5/2.4。
防冻剂的存在能够防止传热流体在负的温度下冻结。例如防冻剂可以是以Neutragard名称出售的防冻剂。防冻剂的浓度可以在0％和40％之间，例如30％。
表面活性剂能够改善粉末在传热流体中的悬浮能力和保持悬浮的能力。表面活性剂的浓度可以在0％和3％之间，有利地在0.2％和0.3％之间。
最后，消泡剂能够防止形成对于太阳能收集器的正确运行有害的泡沫。消泡剂的浓度可以在0％和3％之间，有利地在0.2％和0.3％之间。消泡剂例如是Agitan305(注册商标)。
根据本发明的一个实施方案的特效流体的实例为：
-水，补足至100％的量
-Neutragard防冻剂，30％
-Durcal 1粉末，3％
-表面活性剂，0.2％到0.3％
-Agitan 305消泡剂，0.2％到0.3％。
这种特效流体适用于家用太阳能收集器。特别地，各种成分不存在任何对健康的危害(在传热流体泄漏到水加热器的情况下)，相对便宜可得，不存在损害装置的任何风险并且处理或回收都没有困难。此外，和水相比，其具有更大的吸收率，这可以提高太阳能收集器的产量。
该特效流体还可以用于任何其它应用，例如家用或工业用，在这些应用中光辐射必须被转换为热能。其可以包括天然的或者人工的，以及可见的或者红外的光线。
尽管本发明是结合具体实施方案进行描述的，但是很明显的是其决不被限制于此，且很明显本发明包括与所描述的手段等同的所有技术手段和它们的组合，如果后者落入本发明的范围内的话。
特别地，本发明并不局限于碳酸钙粉末，而是扩展到其它天然的或者合成的矿物粉末。
在该特效流体的制造过程中，矿物粉末可以以干粉末或者液体悬浮物的形式被加入。

Claims (15)

1.特效流体，特征在于其包括水和强烈散射日光辐射的矿物粉末，所述强烈散射性矿物粉末具有在1％和3％之间的质量浓度以及在0.8和10μm之间的中值粒径，所述强烈散射性矿物粉末的粒子具有平均大于0.7的光能量散射系数。
2.根据前述权利要求的特效流体，其中所述强烈散射性矿物粉末包括碳酸钙，或者合成的或天然的矿物粉末。
3.根据前述权利要求的特效流体，其中所述强烈散射性矿物粉末是碳酸钙粉末。
4.根据前述权利要求之一的特效流体，其中所述强烈散射性矿物粉末具有在1和3μm之间的中值粒径。
5.根据前述权利要求之一的特效流体，其中所述强烈散射性矿物粉末基本上由类似球体的粒子构成。
6.根据前述权利要求之一的特效流体，其中所述强烈散射性矿物粉末具有根据DIN 6174测定的CIE白度，使得参数L*等于在94和98之间的值，和/或使得参数a*等于在0.1和1.5之间的值，和/或使得参数b*等于在0.5和4之间的值。
7.根据前述权利要求之一的特效流体，包括防冻剂，防冻剂的质量浓度在0％和40％之间，不包括下限0％，包括上限40％。
8.根据前述权利要求之一的特效流体，其对日光辐射的能量吸收率在0.1和10cm-1之间。
9.根据前述权利要求之一的特效流体，包括表面活性剂，表面活性剂的质量浓度在0％和3％之间，不包括下限0％，包括上限3％。
10.根据前述权利要求之一的特效流体，包括消泡剂，消泡剂的质量浓度在0％和3％之间，不包括下限0％，包括上限3％。
11.根据前述权利要求之一的特效流体，其中矿物粉末的质量浓度是3％，防冻剂的质量浓度为30％，表面活性剂的质量浓度在0.2％和0.3％之间并且消泡剂的质量浓度在0.2％和0.3％之间。
12.根据前述权利要求之一的特效流体，还包括杀菌产品。
13.根据前述权利要求之一的特效流体在将光辐射转化为热能的设备中的用途，其中光线被导向所述特效流体，所述特效流体成为能量转换的场所。
14.将光辐射转换为热能的设备，包括布置成能够接收光辐射以成为能量转换场所的特效流体，特征在于所述特效流体为根据权利要求1到12之一所述的特效流体。
15.根据权利要求14的设备，包括太阳能收集器。
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