DE2636069B2

DE2636069B2 - Wärmeaufnehmendes und wärmeleitendes Medium

Info

Publication number: DE2636069B2
Application number: DE2636069A
Authority: DE
Inventors: Roland Prof. Dr. Leoben Schuh (Oesterreich)
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-08-11
Filing date: 1976-08-11
Publication date: 1978-08-24
Also published as: DE2636069A1

Description

Die Erfindung betrifft ein wärmeaufnehmendes und wärmeleitendes Medium nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Medien, insbesondere flüssige Medien, mit Wärmeaufnahme- und Wärmeleitfähigkeit sind für eine Vielzahl von Anwendungsfällen erforderlich oder günstig. Es sei beispielsweise auf die Verwendung derartiger Medien als Füllung für Solarzellen oder für Wärmetauscher ganz allgemein hingewiesen.

In diesem Zusammenhang ist es nun bekannt, daß die Übertragung von Wärme aus Strahlenquellen im Infrarotbereich infolge der Absorption des bestrahlten Mediums weitgehend von dessen Farbe abhängt. Weiterhin ist geläufig, daß die Wärmespeicherung bzw. das Wärmeaufnahmevermögen von der Masse des bestrahlten Mediums abhängt, d. h. diese möglichst groß sein sollte. Der Transport der infolge Einstrahlung gespeicherten Wärme und die Übertragung, z. B. in Wärmetauschern, auf andere Medien hängen dabei von der Strömungsgeschwindigkeit ab. Im Hinblick auf diese Umstände ist es wünschenswert, Stoffe zu verwenden, die hohe Strömungsgeschwindigkeiten und infolgedessen einen hohen konvektiven Wärmeübergang ermöglichen. Außerdem sollen diese strömenden Medien ein möglichst hohes spezifisches Gewicht haben, wobei außerdem durch Wahl geeigneter Farben ein hohes

ίο Absorptionsvermögen anzustreben ist

Betrachtet man vorstehende Forderungen, so leuchtet ein, daß z. B. das üblicherweise als Füllung für Solarkollektoren verwendete Wasser nicht in der L age ist den Anforderungen zu entsprechen. Der Einsatz von

is geläufigen Medien, die den Forderungen zu genügen in der Lage wären, z. B. flüssigem Metall, scheitert häufig an den hiermit verbundenen erheblichen technischen Schwierigkeiten. Es wäre nämlich bei Verwendung eines flüssigen Metalls als wärmeleitendes bzw. wärmeaufnehmendes Medium ein so hoher konstruktiver Aufwand erforderlich, dafl die erzielbaren Verbesserungen im Wirkungsgrad demgegenüber vergleichsweise gering sind. Außerdem ist natürlich zu berücksichtigen, daß die Verwendung von flüssigem Metall od. dgl. als wärmeleitendes Medium auch mit erheblichen Gefahren für den Fall einer Panne in der Vorrichtung verbunden ist

Es ist weiter bereits bekannt (DE-OS 22 48 991) eine Suspension von Feststoff-Teilchen in niedrig-viskoser Flüssigkeit als wärmeaufnehmendes bzw. wärmeleitendes Medium zu verwenden. Gemäß dem Stand der Technik sollen als Feststoff-Teilchen Erzstäube verwendet werden. Erzteilchen sind nun Partikel aus Stoffen, die in ihrer Struktur auf Ionenbindung aufgebaut sind, da sie Metall- und Nichtmetallatome enthalten. Infolgedessen haben Erzteilchen salzartigen Charakter und deswegen ein ganz bestimmtes Wärmeleitungsverhalten. Auf jeden Fall können Erzteilchen hinsichtlich ihrer Eigenschaften nicht mit Metallteilchen verglichen werden. Im übrigen gibt die DE-OS 22 48 991 die Lehre, inerte Feststoffe zu verwenden, also solche Materialien, die sich gegenüber den normalen Trägermedien anders verhalten als Metall.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Medium vorzuschlagen, welches einerseits die erforderliche Wärmeaufnahme- und -leitfähigkeit besitzt, andererseits aber ohne weiteres und ohne besondere Sicherheitsvorkehrungen eingesetzt werden kann, wobei insbesondere niedrige Viskosität, d. h. gute Strömungsfähigkeit, gegeben sein soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Medium bestehend aus einer Suspension von Feststoff-Teilchen in einer niedrig-viskosen Flüssigkeit vorgeschlagen, welches sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, daß die Feststoff-Teilchen Metallpigmente eines Durchmessers von unter 1000 μ sind, wobei die Metallpigmente vorzugsweise einen Durchmesser von unter 100 μ aufweisen.
In Versuchen konnte nachgewiesen werden, daß erfindungsgemäße Medien mit Metallpigmenten als Feststoff-Teilchen gegenüber den bisher bekannten Medien erheblich verbessertes Wärmeaufnahme- und Wärmeleitvermögen besitzen. Dies liegt vermutlich daran, daß Metallpigmente einen bestimmten Formfaktor besitzen. Metallpigmente sind nämlich im allgemeinen plättchenförmig ausgebildet mit einer Formverhältniszahl von üblicherweise wenigstens 50 bis 100, teilweise aber auch bis gegen 200. Es handelt sich also

um Körper mit einer im Vergleich zu ihrer Ausdehnung nur sehr geringen Dicke. Diese Form macht sich bei der Wärmeaufnahme und -leitung infolge der relativ großen spezifischen Oberfläche bei gleicher Masse günstig bemerkbar. Weiterhin bringt die plättchenförmige Gestalt der Metallpigmente den Vorteil mit sich, daß auch bei relativ geringen Strömungsgeschwindigkeiten die Pigmentteilchen ohne große Schwierigkeiten in der Trägerflüssigkeit in der Schwebe gehalten werden können, so daß die Möglichkeit gegeben ist, durch entsprechend langsamen Transport die Strahlungs-Einwirkungszeit und damit die relative Wirksamkeit der Metallpigmente in Verbindung mit der Aufheizung der Trägerflüssigkeit und der Metallpigment-Teilchen hochzuhalten. Ein weiterer Vorzug bei der Verwendung von Metallpigmenten als Feststoff-Teilchen ist darin zu sehen, daß sich eine diffuse Reflexion innerhalo des Suspensionsmediums bzw. der Trägerflüssigkeit ergibt, wodurch eins Umsetzung elektro-magnetischer Wellen, beispielsweise entsprechender Sonnenstrahlung, vorzugsweise im Bereich von 300 nm bis 2000 nm erfolgt, also in einem Bereich, der für die tatsächlich auftreffende Strahlung, z. B. bei Verwendung in Solarkollektoren, von besonderer Bedeutung ist.

Als Metallpigmente kommen vorteilhafterweise Pigmente von Schwer- oder Leichtmetallen, vorzugsweise von Cu, Al, Pb, Zn bzw. deren Legierungen in Frage.

Wenn die Metallteilchen zur diffusen Reflexion auftreffender Strahlung eine unregelmäßige Oberfläche aufweisen, so kann eine erhebliche Verbesserung der Wärmeaufnahmefähigkeit im Sinne einer raschen Absorption erzielt werden, was eine weitere Steigerung des Wirkungsgrades ermöglicht.

Eine weitere Verbesserung der Wärmeaufnahmefähigkeit läßt sich dadurch erreichen, daß die Oberfläche der Metallpigmente vor ihrer Suspension in der Flüssigkeit zur Erhöhung des Absorptionskoeffizienten für einfallende Strahlung chemisch oder elektro-chemisch behandelt wird. Beispielsweise kann hierdurch die Oberfläche von an sich hellen Metallpigmenten dunkel gefärbt werden, so daß weniger Strahlung reflektiert und ein größerer Strahlungsanteil absorbiert wird.

In Versuchen hat sich gezeigt, daß die günstigsten Ergebnisse dann erzielbar sind, wenn der Anteil der suspendierten Metallteilchen in der Flüssigkeit etwa 10 bis 30 Gew.-% beträgt.

Zweckmäßig ist es, wenn die Flüssigkeit eine solche ist, die in einem Temperaturbereich zwischen —30° und + 8O⁰C stabil ist, da dann die Flüssigkeit für eine Vielzahl von Gebieten ohne weiteres eingesetzt werden kann. Insbesondere ist eine derartige Flüssigkeit in Solarkollektoren verwendbar, da normalerweise Temperaturen unter —30° C nicht auftreten, andererseits bei entsprechender Bewegung der Flüssigkeit, die ja in Solarkollektoren üblich ist, Temperaturerhöhungen auf mehr als + 80° C nicht zu befürchten sind.

Als Flüssigkeit, die den Anforderungen gemäß der Erfindung entspricht, kann zweckmäßig ein niedriger, ein- oder mehrwertiger Alkohol, beispielsweise Äthylenglykol, verwendet werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, als Flüssigkeit Wasser einzusetzen, wobei hier natürlich auf die durch die Zustandsänderung gegebenen Temperaturgrenzen zu achten ist.

Schließlich liegt es im Rahmen der Erfindung, daß die Flüssigkeit die suspendierten Metallteilchen weder physikalisch noch chemisch beeinflußt, um so die Einsatzdauer der Flüssigkeit möglichst hochzuhalten.

Es sollte noch darauf hingewiesen werden, daß die Trägerflüssigkeit mindestens mit einer zur Aufrechterhaltung einer stabilen Suspension ausreichenden Strömungsgeschwindigkeit dauernd bewegt werden sollte, um ein Absetzen der Metallpigmente und dadurch eine

Änderung der Wärmeaufnahme- bzw. Wärmeleitfähigkeit zuverlässig auszuschließen.

Nachstehend seien kurz die Ergebnisse angestellter Veisuche erläutert
Es hat sich zum einen gezeigt, daß der Anteil der

to Metallpigment-Teilchen in dem Medium von dem spezifischen Gewicht des suspendierten Metalles abhängt. Dabei ist es normalerweise ausreichend, wenn Anteile zwischen 10 und 30 Gew.-% der Metallpigmente in der Flüssigkeit in Suspension gehalten werden.

Es wurden beispielsweise bei Versuchen 30 Gew.-% Aluminium-Pigment in Flüssigkeit, z. B. Äthylenglykol, suspendiert Hierbei ergab sich, abhängig von der jeweils verwendeten Flüssigkeit, eine bis zu 30% gegenüber den gleichen, jedoch nicht im Aluminium-Pigment versetzten Flüssigkeiten, verbesserte Wärmeaufnahmefähigkeit bzw. Absorption bezüglich Strahlung aus dem Infrarotbereich, d.h. bezüglich Wärmestrahlung.
Bei diesen Versuchen wurde Aluminium-Pigment verwendet, dessen an sich für die Wärmeabsorption ungünstige Farbe nicht geändert wurde. Hätte man durch chemische oder elektro-chemische Prozesse das Aluminium-Pigment dunkel eingefärbt, so wäre eine Verbesserung der Wärmeabsorption aufgetreten, wobei in diesem Zusammenhang angestellte Versuche gezeigt haben, daß erhebliche Verbesserungen der Wärmeaufnahmefähigkeit bzw. des Wärmeabsorptionsvermögens bei entsprechender Behandlung der Oberfläche möglich sind.

Weiterhin wurden Versuche durchgeführt, bei denen Flüssigkeiten mit Pigmenten von Schwermetallen, beispielsweise Kupfer, versetzt wurden. Auch hier ließen sich ähnliche Steigerungen des Wärmeabsorptionsvermögens gegenüber nicht mit Metallpigmenten versetzten Flüssigkeiten erzielen, wobei die Wärmeaufnahmefähigkeit um etwa 20 bis 40% gegenüber den keine Metallpigmente enthaltenden Flüssigkeiten verbessert werden konnte. Gleichzeitig wurden an diesen Flüssigkeiten auch Messungen hinsichtlich der Wärmeleitfähigkeit durchgeführt. Dabei zeigte sich ebenfalls eine Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit in dem Bereich von etwa 20 bis 40%, was den Schluß nahelegt, daß derartige Flüssigkeiten mit hoher Wirksamkeit in Wärmeaustauschern eingesetzt werden können.

Bei Verwendung solcher Flüssigkeiten in Wärmeaustauschern können durch Aufrechterhaltung von Strömungsgeschwindigkeiten, die das Vorliegen einer turbulenten Strömung gewährleisten, Wärmeübergangszahlen erreicht werden, die weit über dem Bereich der üblichen Kennzahlen hinsichtlich des Wärmeüberganges von Flüssigkeiten auf feste Körper liegen. Die Aufrechterhaltung einer turbulenten Strömung bei Verwendung der Medien gemäß der Erfindung ist dabei ohne größere Schwierigkeiten möglich, da ja als Träger für die Metallteilchen verhältnismäßig dünnflüssige Medien eingesetzt werden können.

Es sei zusammenfassend nochmals erwähnt, daß in Rahmen der Erfindung Suspensionen von Pigmenten aus Metallen und deren Legierungen verwendet werden, die aufgrund ihrer spezifischen Oberflächeneigenschaften hohes Wärmeabsorptionsvermögen bzw. günstige Reflexionseigenschaften (diffus) besitzen, wobei außerdem die Möglichkeit gegeben ist, in Flüssigkei-

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ten bei Aufrechterhaltung einer Mindest-Strömungsge- erfolgt dabei mit hohem Wirkungsgrad aufgrund der

schwindigkeit eine stabile Suspension zu erzielen. Der entsprechenden hohen Wärmeleitzahlen der Metalle

Wärmeaustausch innerhalb der Flüssigkeiten und in selbst, wobei der Wärmeübergang durch die turbulente

diesem Zusammenhang die Wärmeaufnahme sowie die Strömung begünstigt wird.

Wärmeabgabe an die Wand von Wärmeaustauschern ₅

Claims

Patentansprüche:

1. Wärmeaufnehmendes und wärmeleitendes Medium bestehend aus einer Suspension von Feststoff-Teilchen in einer niedrig-viskosen Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoff-Teilchen Metallpigmente eines Durchmessers von unter 1000 μ sind.

2. Medium nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpigmente einen Durchmesser von unter 100 μ aufweisen.

3. Medium nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpijmente solche von Schwer- oder Leichtmetallen, ν lzugsweise von Cu, Al, Pb, Zn bzw. deren Legierungen sind.

4. Medium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallpigmente zur diffusen Reflexion auftreffender Strahlung eine unregelmäßige Oberfläche aufweisen.

5. Medium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Metallpigmente vor ihrer Suspension in der Flüssigkeit zur Erhöhung des Absorptionskoeffizienten für einfallende Strahlung chemisch oder elektrochemisch behandelt ist

6. Medium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil der suspendierten Metallpigmente in der Flüssigkeit etwa 10—30Gew.-% beträgt

7. Medium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit im Temperaturbereich zwischen — 30⁰C und + 80° C stabil ist

8. Medium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit ein niedriger, ein- oder mehrwertiger Alkohol ist

9. Medium nach Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Äthylenglykol ist

10. Medium nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit Wasser ist.

11. Medium nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit die suspendierten Metallpigmente weder physikalisch noch chemisch beeinflußt