CN113105872A - 一种热管工质及其制备方法和用途 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热管工质及其制备方法和用途。本发明提供的热管工质包括缓蚀剂、酸碱平衡剂和溶剂，所述缓蚀剂包括磷酸盐和钼酸盐。本发明提供的制备方法包括将所述热管工质中的各组分混合后，得到所述热管工质。本发明提供的热管工质在保证防冻效果及相容性的基础上，使工质环保，符合相关审批要求，并且传热性好。

Description

一种热管工质及其制备方法和用途
技术领域
本发明属于热利用技术领域，涉及一种热管工质及其制备方法和用途。
背景技术
太阳能重力热管的学术名称叫做“两相闭式热虹吸管”，简称“热虹吸管”。将铜管内部抽真空后充入一定量的工作液体，液体以蒸发-冷凝的相变过程在内部反复循环，不断将蒸发段的热量传至冷凝段，从而完成将热量输送的传热过程。
一般的热管工质如水容易产生H2气体等不凝结气体，长期使用会出现热管部分不工作的缺陷，传热效率大为降低；而现有中高温热管工质如水银、铯、钾、钠等由于其价格较高，加之使用上述工质热管的制造工艺较为复杂，也不易大规模普及使用；最近出现的一些以有机物质作为热管工质，但其导热系数较小，热效率不高。另外以上所述工质对制作热管的材料、材质的要求也比较严，也使其使用受限。
太阳能热管的工作介质通常含有剧毒物质，因此在一些国家和地区限制使用。因此，需要在保证防冻效果及相容性的基础上，使工质环保，符合相关审批要求。
此外，还要考虑工作介质和热管主要材料的共存性。只有满足这一条件才能够保证热管的工作寿命，使热管能够稳定长久的进行工作。同时，工作介质还有具备一定的稳定性，在高温下保持原来组分的性质。如果不满足这些条件，热管的工作情况将会变糟，严重的会导致停止工作。
CN1102200公开了一种由无机材料组成的热管工质，其特征在于：该工质中含有以下组分：红钒钾、碳酸锂、过硼酸钠、硼酸、氢氧化铝、过氧化钠、二氧化锰、三氧化二钴、四氧化三铅。其优点为：由于该工质全部由无机物质按一定组分配制,依靠无机分子运动导热，在60～70℃以上热源驱动下，化学材料发生物理变化，先产生能量，再放热。因此该工质导热系数大，热传导效率高，耐疲劳，产生的内压小，适用范围广，且对金属材料无腐蚀性。
但是该方案需要使用红钒钾(高锰酸钾)，高锰酸钾由于其剧毒性质，在很多国家和地区已经禁用，因此其方案已经无法推广。
CN110358507A公开了一种用于集热管的换热工质及该集热管和灌注方法。所述换热工质包括液体工质和均匀分散在液体工质中的固体纳米颗粒，形成固液混合的悬浊液。所述集热管包括冷凝端、环封口、真空夹层、罩玻璃管、内管、吸附液体工质的固体纳米颗粒涂层、选择性吸收涂层和换热工质。所述灌注方法包括采用真空排气灌注法将固液混合的换热工质从冷凝端灌注进内管内腔后，将集热管进行周期性的旋转和翻转。
该方案需要使用纳米材料，增加生产成本，增加了企业的负担，不适宜在产业中大规模推广。
CN104119839A公开了一种用于脉动热管相变传热的混合工质的确定方法，包含五个基本条件：1、两种工质不互溶或部分互溶，混合后仍能分层；2：所述工质一的沸点高于工质二5～80℃；3：所述工质一的密度为工质二的20～98％；4：所述工质一的比热容为工质二的1.1～10倍；5：所述工质一的相变潜热为工质二的1.1～10倍。由此确定混合工质中高沸点和低沸点工质的质量分数分别为5％～95％和95％～5％，优选为30％～70％和70％～30％。
但是该方案中并没有明确给出采用和种组分才能规避现有热管工质中的剧毒物质并且到相似的技术效果。
CN108485612A公开了一种用于热管传热的混合纳米流体工质的制备方法，属于热交换技术领域。该方法选取体积配比为75％Al2O3+25％TiO2、50％Al2O3+50％TiO2、25％Al2O3+75％TiO2，粒径20nm的颗粒为添加物，以去离子水为基液，加入表面活性剂，通过磁力搅拌、超声振动，配制成混合纳米流体，作为热管的传热工质；其中，75％Al2O3+25％TiO2、50％Al2O3+50％TiO2、25％Al2O3+75％TiO2纳米颗粒混合物添加量的体积百分含量为2％。
但是该方案需要使用纳米材料，增加生产成本，增加了企业的负担。同时其导热性能、防冻损和防老化性能也有待进一步提高。
发明内容
针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种热管工质及其制备方法和用途。本发明提供的热管工质(热管工作介质)可以在保证防冻效果和相容性的基础上使工质环保，符合相关审批要求。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种热管工质，所述热管工质包括缓蚀剂、酸碱平衡剂和溶剂，所述缓蚀剂包括磷酸盐和钼酸盐。
本发明提供的热管工质中，通过使用磷酸盐和钼酸盐作为缓蚀剂，可以避免使用不符合环保要求的组分，保证本发明提供的热管工质能够满足相关的审批要求，同时又不牺牲本发明提供的热管工质在太阳能热管中的防冻效果以及相容性。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为对本发明提供的技术方案的限制，通过以下优选的技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述磷酸盐包括磷酸锌。
优选地，所述钼酸盐包括钼酸钠和/或钼酸钾。
作为本发明优选的技术方案，所述缓蚀剂为磷酸锌和钼酸钠的组合。
优选地，所述热管为铜管。
本发明中，采用磷酸锌和钼酸钠的组合作为缓蚀剂的好处在于钼酸及磷酸均为弱酸性，且化合物不会产生电化学腐蚀。
作为本发明优选的技术方案，所述酸碱平衡剂包括酸和碱；
优选地，所述酸包括磷酸。
优选地，所述碱包括氢氧化钠。
优选地，所述酸碱平衡剂还包括两性氢氧化物。
优选地，所述两性氢氧化物包括氢氧化铝。
优选地，所述酸碱平衡剂为磷酸、氢氧化钠和氢氧化铝的组合。
本发明中，采用磷酸、氢氧化钠和氢氧化铝的组合作为酸碱平衡剂的好处在于氢氧化铝为弱碱性，氢氧化钠与磷酸平衡后不会产生新的阳极离子。
作为本发明优选的技术方案，所述溶剂包括水。
优选地，所述水为去离子水。
作为本发明优选的技术方案，所述热管工质包括磷酸、磷酸锌、氢氧化钠、氢氧化铝、钼酸钠和水。
优选地，所述热管工质中，以水的重量为100份计，其他组分的重量份为：
磷酸 0.1-0.4份
磷酸锌 0.1-0.3份
氢氧化钠 0.2-0.5份
氢氧化铝 0.1-0.4份
钼酸钠 0.1-0.4份。
本发明中，以水的重量为100份计，磷酸为0.1-0.4份，例如0.1份、0.2份、0.3份或0.4份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；磷酸锌为0.1-0.3份；例如0.1份、0.15份、0.2份、0.25份或0.3份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；氢氧化钠为0.2-0.5份，例如0.2份、0.3份、0.4份或0.5份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；氢氧化铝为0.1-0.4份，例如0.1份、0.2份、0.3份或0.4份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；钼酸钠为0.1-0.4份，例如0.1份、0.2份、0.3份或0.4份等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述热管工质中，以水的重量为100份计，其他组分的重量份为：
磷酸 0.2-0.3份
磷酸锌 0.1-0.2份
氢氧化钠 0.3-0.4份
氢氧化铝 0.2-0.3份
钼酸钠 0.2-0.3份。
第二方面，本发明提供一种如第一方面所述的热管工质的制备方法，所述方法包括以下步骤：
将所述热管工质中的各组分混合后，得到所述热管工质。
作为本发明优选的技术方案，所述各组分按照配方量混合。
优选地，将除所述溶剂之外的其他组分加入溶剂中进行混合。
优选地，所述混合的方法为搅拌混合。
作为本发明所述制备方法的进一步优选技术方案，所述方法包括以下步骤：
将所述热管工质中的各组分按照配方量混合，搅拌混合得到所述热管工质，其中，将除所述溶剂之外的其他组分加入溶剂中进行混合。
第三方面，本发明提供一种如第一方面所述的热管工质的用途，所述热管工质用于太阳能热管。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供的热管工质在保证防冻效果及相容性的基础上，使工质环保，符合相关审批要求，并且传热性好。采用本发明提供的热管工质后，热管的平均最大传热量可达241.18W。
(2)本发明提供的制备方法操作简单，操作成本低廉，易于在产业上进行大规模生产。
附图说明
图1为使用本发明实施例1提供的热管工质的热管在老化实验后的金相分析图。
图2为使用本发明实施例1提供的热管工质的热管在老化实验后的pH测试结果照片。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1
本实施例提供一种热管工质，所述热管工质以去离子水的重量为100份计，其他组分的重量份为：
磷酸 0.25份
磷酸锌 0.15份
氢氧化钠 0.35份
氢氧化铝 0.25份
钼酸钠 0.25份。
本实施例还提供一种上述热管工质的制备方法，所述方法包括以下步骤：
将所述热管工质中的各组分按照配方量混合，搅拌混合得到所述热管工质，其中，将除所述溶剂之外的其他组分加入溶剂中进行混合。
本实施例提供的热管工质在放入热管中进行老化实验后(具体实验方法见测试方法部分)，进行金相分析的结果如图1所示，由该图可以看出铜管内部没有发生腐蚀现象，与铜管的相容性良好。
本实施例提供的热管工质在放入热管中进行老化实验后(具体实验方法见测试方法部分)，进行pH测试的结果如图2所示，由该图可以看出按配方混合的工质具有非常好的热稳定性。
本实施例提供的热管工质的性能测试结果见表1。
实施例2
本实施例提供一种热管工质，所述热管工质以去离子水的重量为100份计，其他组分的重量份为：
磷酸 0.2份
磷酸锌 0.1份
氢氧化钠 0.4份
氢氧化铝 0.3份
钼酸钠 0.2份。
本实施例提供的热管工质的性能测试结果见表1。
实施例3
本实施例提供一种热管工质，所述热管工质以去离子水的重量为100份计，其他组分的重量份为：
磷酸 0.3份
磷酸锌 0.2份
氢氧化钠 0.3份
氢氧化铝 0.2份
钼酸钾 0.3份。
本实施例提供的热管工质的性能测试结果见表1。
实施例4
本实施例提供一种热管工质，所述热管工质以去离子水的重量为100份计，其他组分的重量份为：
磷酸 0.1份
磷酸锌 0.3份
氢氧化钠 0.2份
氢氧化铝 0.1份
钼酸钠 0.4份。
本实施例提供的热管工质的性能测试结果见表1。
实施例5
本实施例提供一种热管工质，所述热管工质以去离子水的重量为100份计，其他组分的重量份为：
磷酸 0.4份
磷酸锌 0.1份
氢氧化钠 0.5份
氢氧化铝 0.4份
钼酸钠 0.1份。
本实施例提供的热管工质的性能测试结果见表1。
对比例1
本对比例提供的热管工质除了不含磷酸锌之外，其他物料和质量含量与实施例1提供的热管工质相同。
本对比例提供的热管工质的性能测试结果见表1。
对比例2
本对比例提供的热管工质除了不含钼酸钠之外，其他物料和质量含量与实施例1提供的热管工质相同。
本对比例提供的热管工质的性能测试结果见表1。
测试方法
将各实施例和对比例提供的热管工质分别置于铜质热管中，用热管进行测试。
热管抗冻试验：
依据GB/T 24767-2009热管抗冻试验方法，将热管以倾角大于30°放入不高于-25℃的冷冻设备内1h，而后将其取出并放置在温度不低于60℃、深度不小于200mm的水中,待热管启动5min后，再将其放入不高于-25℃的冷冻设备内，如此反复10次，热管应无冻损现象且热管表面不得有沙眼、裂纹、凹陷、锈蚀等影响使用的缺陷。试验开始前和结束后，分别测量热管外径是否膨胀。
热管最大传热量实验：
依据GB/T 24767-2009热管最大传热流量试验方法，将热管蒸发段水平放入加热仓，冷凝端外加换热水套，连接恒温水浴。待水套进出口水温相同，蒸发管各测温点温度基本相同时，逐步增加加热功率。
增加加热功率时，如蒸发段出现局部温度明显上升或温度出现明显震荡和不稳定现象时，即视此热管已达到该试验状态及工作温度下的传热极限。
最大热流量计算公式:Q1＝G×cp(t2-t1)
Q1–冷却介质得到的热流量，单位为瓦特(W)；
G–冷却介质的质量流量，单位为千克每秒(kg/s)；
Cp–冷却介质的比热，单位为焦耳每千克摄氏度[J(kg·℃)]；
t1–冷却介质进口温度，单位为摄氏度(℃)；
t2–冷却介质出口温度，单位为摄氏度(℃)。
热管老化实验：
将热管放入老化试验台的加热舱，冷凝端部分向下，插入上下两块加热板中间的圆孔中。开启电源，由加热系统缓慢给冷凝端增温至试验温度。增温、保温、降温反复循环(增温至300℃，保温4小时后，降温至60℃再次增温至300℃，保温4小时后，降温至60℃，如此反复循环，实验周期2000小时)，直至试验结束。用影像检测仪进行拍照并金相分析。用pH试纸进行热管工质pH测试。
上述测试的结果见表1。
表1
Figure BDA0002362648610000111
综合上述实施例和对比例可知，本发明提供的热管工质在保证防冻效果及相容性的基础上，使工质环保，符合相关审批要求，并且传热性好。
对比例1没有使用磷酸盐缓蚀剂，导致腐蚀发生。
对比例2没有使用钼酸盐缓蚀剂，导致无法满足抗冻能力。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种热管工质，其特征在于，所述热管工质包括缓蚀剂、酸碱平衡剂和溶剂，所述缓蚀剂包括磷酸盐和钼酸盐。
2.根据权利要求1所述的热管工质，其特征在于，所述磷酸盐包括磷酸锌；
优选地，所述钼酸盐包括钼酸钠和/或钼酸钾。
3.根据权利要求1或2所述的热管工质，其特征在于，所述缓蚀剂为磷酸锌和钼酸钠的组合；
优选地，所述热管为铜管。
4.根据权利要求1-3任一项所述的热管工质，其特征在于，所述酸碱平衡剂包括酸和碱；
优选地，所述酸包括磷酸；
优选地，所述碱包括氢氧化钠；
优选地，所述酸碱平衡剂还包括两性氢氧化物；
优选地，所述两性氢氧化物包括氢氧化铝；
优选地，所述酸碱平衡剂为磷酸、氢氧化钠和氢氧化铝的组合。
5.根据权利要求1-4任一项所述的热管工质，其特征在于，所述溶剂包括水；
优选地，所述水为去离子水。
6.根据权利要求1-5任一项所述的热管工质，其特征在于，所述热管工质包括磷酸、磷酸锌、氢氧化钠、氢氧化铝、钼酸钠和水；
优选地，所述热管工质中，以水的重量为100份计，其他组分的重量份为：
磷酸0.1-0.4份
磷酸锌0.1-0.3份
氢氧化钠0.2-0.5份
氢氧化铝0.1-0.4份
钼酸钠0.1-0.4份。
7.根据权利要求6所述的热管工质，其特征在于，所述热管工质中，以水的重量为100份计，其他组分的重量份为：
磷酸0.2-0.3份
磷酸锌0.1-0.2份
氢氧化钠0.3-0.4份
氢氧化铝0.2-0.3份
钼酸钠0.2-0.3份。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的热管工质的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
将所述热管工质中的各组分混合后，得到所述热管工质。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述各组分按照配方量混合；
优选地，将除所述溶剂之外的其他组分加入溶剂中进行混合；
优选地，所述混合的方法为搅拌混合。
10.如权利要求1-7任一项所述的热管工质的用途，其特征在于，所述热管工质用于太阳能热管。
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