DE2754705A1

DE2754705A1 - Sonnenenergiesammelsystem

Info

Publication number: DE2754705A1
Application number: DE19772754705
Authority: DE
Inventors: Robert Paul Krasa
Original assignee: Dow Corning Corp
Current assignee: Dow Silicones Corp
Priority date: 1976-12-09
Filing date: 1977-12-08
Publication date: 1978-06-22
Also published as: FR2373597A1; FR2373597B1; BR7707473A; JPS5372241A; IT1087577B

Description

DC 2155

Dow Coming Corporation, Midland, Michigan, V. St.A.

Sönnenenergiesanunelsystem

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Vor einigen Jahren kam es zu einem Engpaß in der Versorgung mit Roherdöl, so daß die Suche nach anderen Energiequellen verstärkt wurde. Eine der möglichen Energiequellen, die dabei ins Auge gefaßt wurde, war die Sonnenergie. Als Ergebnis dieser Arbeiten wurde eine Reihe von Sonnenenergievorrichtungen entwickelt.

Gegenstand der Erfindung sind vor allem Sonnenenergiesammeivorrichtungen oder Sonnenenergiesammeisysteme, die zur übertragung oder zum Transport von von der Sonne stammender Wärmeenergie von einem Teil des Systems zu einem anderen Teil des Systems ein fluides Wärmeübertragungsmittel enthalten.

In der vergangenen Zeit wurde als Wärmeübertragungsmittel in Sonnenenergiesammeisystemen normalerweise in erster Linie Wasser verwendet. Es hat den Vorteil, daß es sehr billig und leicht verfügbar ist und ferner keine nachteiligen biologischen, umwelttechnischen oder baumaterialtechnischen Effekte aufweist. Der Flüssigkeitsbereich von Wasser, nämlich von O bis 1OO ⁰C bei Normaldruck, ist jedoch zu eng. Wasser kann ferner auch leicht mit ionischem Material verunreinigt werden und stellt ein schlechtes Dielektrikum dar.

Um die oben genannten Nachteile von Wasser per se zu überwinden, wurden diesem bereits gefrierpunkterniedrigende Mittel, wie Ethylenglykole oder Propylenglykole, und Korrosionsinhibitoren zugesetzt. Hierdurch ergeben sich jedoch neue Probleme in bezug auf biologische und umwelttechnische Einflüsse sowie den Abbau des zugesetzten Materials. Ferner wird dadurch das Problem des Dampfdrucks auch nicht gelöst, da diese Wärmeübertragungsflüssigkeiten bei einer Temperatur von etwa 204 °C Drücke im Bereich von 17,6 kg/cm² entwickeln. Die obigen Inhibitoren sind ferner umweitschädlich,

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so daß man ziemlich strenge Vorkehrungen treffen muß, damit das System sauber arbeitet. Schließlich muß man bei einem derartigen Vorgehen die Sammelschleife mit Ableitungssystemen oder Abwärmedämpfungssystemen versehen, wodurch sich die Gesamtkosten erhöhen.

Als Wärmeübertragungsflüssigkeiten verwendet man insbesondere im industriellen Bereich häufig Kohlenwasserstofföle als zweite Wahlmöglichkeit. Ein Beispiel für ein solches Material ist Mineralöl. Es gibt bereits Mineralöle, die hervorragende dielektrische Eigenschaften aufweisen, nichtionisch sind und ferner nur geringe biologische und umwelttechnische Probleme sowie Probleme in bezug auf das Baumaterial ergeben. Diese Materialien sind bis zu Temperaturen von 104 ⁰C nicht korrosiv. Paraffinbezogene Mineralöle gefrieren zwar bereits bei verhältnismäßig hohen Temperaturen, es lassen sich jedoch entsprechende naphthenische Ansätze formulieren, mit denen herunter bis zu -29 ⁰C gearbeitet werden kann, sofern sich diese hohe Viskositätszunahme in der Pumpschleife meistern läßt.

Leider haben die Mineralöle nun Flamm- und Brennpunkte im Bereich von 149 bis 166 ⁰C und verbrennen leicht unter hoher Wärmeintensität und Entwicklung großer Volumina an schädlichem Rauch. Ferner oxidieren die Mineralöle auch ohne weiteres bei erhöhter Temperatur unter Bildung teerartiger Massen, die die Wände der Kollektorstäbe überziehen und hierdurch sowohl die Wärmeübertragungseigenschaften als auch die Strömungsgeschwindigkeiten erniedrigen. Die Oxidation von Mineralöl wird häufig begleitet von der Bildung saurer Nebenprodukte, die die im System vorhandenen Metalle, wie Kupfer, Aluminium oder Stahl, angreifen können. Ein noch unbekannter Faktor bezüglich der Verwendbarkeit von Kohlenwasserstoffölen sind entsprechende Wohnbaubestimmungen und Brandversicherungsfragen.

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Die vorwiegenden Flüssigkeiten aus der Klasse der Kohlenwasserstofföle sind die speziellen aromatischen und terphenylischen organischen Wärmeübertragungsflüssigkeiten, die bei Temperaturen von bis zu 343 ⁰C in technischen Wärmeübertragungsschleifen verwendet werden. Diese Flüssigkeiten verfügen bei Temperaturen von bis zu -18 ⁰C über ausreichende Viskositätswerte, sind in geschlossenen Systemen bis zu 204 ⁰C hervorragend wMrmestabil und in üblichen Konstruktionsmaterialien selbst nicht korrosiv. Sie neigen bei 204 ⁰C jedoch sogar bei nur begrenztem Sauerstoffzutritt zu einer Oxidation unter Bildung von teerartigen Produkten und/oder Säuren. Die Brennpunkte dieser Materialien liegen im Bereich von 154 bis 166 °C, und sie können beim Hausbau übliche Konstruktionsmaterialien nachteilig beeinflussen.

Nachdem die Wahl einer Wärmeübertragungsflüssigkeit erster Güte bei dem gesamten Sonnenenergiesammeisystem oder der gesamten Sonnenenergiesammelvorrichtung nur einen untergeordneten Kapitalfaktor darstellt (möglicherweise weniger als 5 % der Systemkosten), ermöglicht die Wahl einer solchen erstklassigen Flüssigkeit konstruktive Einsparungen, die die Kosten einer solchen weiteren Flüssigkeit mehr als aufwiegen. Eine zu diesem Zweck bereits verwendete erstklassige Flüssigkeit ist ein flüssiges Polydimethylsiloxan. Diese Materialien sind jedoch immer noch verbesserungsbedürftig.

Die Primärwärmeübertragungsschleife bei Haussonnenenergiesamme 1 systemen ist einem breiten Temperaturbereich ausgesetzt. Ober einen Jahreszyklus hinweg können auf die Schleife daher Temperatürextrema im Bereich von -46 *C bis über 204 °C während Stauzeiten einwirken. Unter diesen Extrembedingungen mu0 man daher eine sorgfältige Auswahl einer besonders geeigneten Wärmeübertragungsflüssigkeit treffen.

Die heute im Handel erhältlichen Haussonnenenergiesammelvorrichtungen oder Haussonnenenergiesammelsysteme enthalten Stäbe oder Platten, die aus Aluminium, Kupfer oder Stahl

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konstruiert sind. In einer Reihe von Systemen sind zwei oder mehr Metalle in der Schleife enthalten. Zur Vermeidung eines vorzeitigen Versagens der Sammelplatten braucht man daher eine nichtwäßrige und nichtkorrosive Wärmeübertragungsflüssigkeit mit hoher Dielektrizitätskonstante.

Sicherheit beim Verbraucher und ümwelterfordernisse bestimmen ferner, daß die verwendeten Wärmeübertragungsflüssigkeiten einen hohen Brennpunkt haben, keinen Druck erzeugen und herkömmliche Konstruktionsmaterialien nicht nachteilig beeinflussen. Aus Gründen einer bequemen Handhabung und einer maximalen Kosteneinsparung sollte eine solche Wärmeübertragungsflüssigkeit ferner auch über eine Reihe von Jahren stabil und wartungsfrei sein.

Obige Überlegungen lassen erwarten, daß die ideale Wärmeübertragungsflüssigkeit für Sonnenenergiesammeisysteme einen Flüssigbereich von -46 ⁰C bis 204 ⁰C mit einem praktisch flachen Temperatur/Viskositäts-Gefälle haben sollte, so daß es zu keinen Gefrierschäden und nur zu einer minimalen Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit kommt. Es sollte sich hierbei um eine nichtionische, hoch dielektrische, nichtwäßrige, nichtreaktionsfähige und stabile Flüssigkeit handeln, die Kupfer, Aluminium, Stahl oder multimetallische Systeme nicht korrodiert. Diese Flüssigkeit sollte über einen Flammpunkt und Brennpunkt von über 204 ⁰C und einen niedrigen Dampfdruck bei 204 ⁰C verfügen. Sie sollte Holz, Beton, Kunststoff, Asphalt und sonstige Materialien, wie sie beim Hausbau verwendet werden, nicht korrodieren, nicht lösen und nicht anfärben bzw. verschmutzen. Eine derartige Wärmeübertragungsflüssigkeit sollte ferner bei Arbeitstemperaturen von 66 bis 93 ⁰C 10 Jahre oder länger stabil sein und ohne Abbau die Einwirkung extensiver statischer Temperaturen von bis zu 204 ⁰C überstehen. Schließlich sollte ein fluides ideales Wärmeübertragungsmittel ein nichttoxisches Material sein, das keine nachteiligen umwelttechnischen oder biologischen Effekte hat.

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Erfindungsgemäß wird nun ein Sonnenenergieübertragungssystem geschaffen, das eine Wärmeübertragungsflüssigkeit zum Transport von Wärmeenergie von einem Teil des Systems an einen anderen Teil des Systems enthält, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es als Wärmeübertragungsflüssigkeit eine Zubereitung enthält, die praktisch aus

(A) 98 bis 99,99 Gewichtsprozent eines im wesentlichen flüssigen Polydimethylsiloxans mit einer Viskosität im Bereich von 5 bis 75 Centistoke bei 25 ⁰C und

(B) 0,01 bis 2 Gewichtsprozent eines Phenylnaphthylamins besteht.

Die besondere Konstruktion des Sonnenenergiesammeisystems, auf das die Erfindung gerichtet ist, ist nicht kritisch, sofern es sich dabei um ein System handelt, das eine Wärmeübertragungsflüssigkeit zum Transport von Wärmeenergie von einem Teil des Systems zu einem anderen Teil des Systems enthält. Diese Systemarten sind dem Fachmann bekannt, und nähere Beschreibungen über ihre Konstruktion finden sich zahlreich in der Literatur.

Eine wesentliche Komponente der erfindungsgemäß verwendeten Wärmeübertragungsflüssigkeit ist ein praktisch flüssiges Polydimethylsiloxan. Im Idealfall enthält diese Flüssigkeit nur an Siliciumatome gebundene Ethylreste, kleine Mengen (weniger als etwa 5 Molprozent) der an den Siliciumatomen befindlichen Substituenten können jedoch auch andere Reste als Methylreste sein, beispielsweise Phenyl-, Ethyl-, 3,3,3-Trifluorpropyl- und/oder Vinylreste. Reste, die mit dem Sonnenenergiesammelsystem reagieren oder diesem sonstwie schaden könnten, sind natürlich zu vermeiden. Flüssigkeiten der obigen Art sind im Handel erhältliche Materialien, und ihre Herstellung wird in zahlreichen Stellen der Literatur beschrieben.

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Das vorliegend verwendete flüssige Polydimethylsiloxan sollte bei 25 ⁰C eine Viskosität im Bereich von 5 bis 75 Centistoke, vorzugsweise 10 bis 50 Centistoke, haben. Diese Flüssigkeit macht 98 bis 99,99 Gewichtsprozent, vorzugsweise 99,5 bis 99,9 Gewichtsprozent, der Zusammensetzung der Wärme übertragenden Flüssigkeit aus.

Die andere wesentliche Komponente der erfindungsgemäß verwendeten Wärmeübertragungsflüssigkeit ist ein Phenylnaphthylamin. Es gibt zwei derartige Materialien, nämlich Phenyl-alpha-naphtylamin und Phenyl-ß-naphtylamin. Von diesen beiden Materialien wird Phenyl-alpha-naphtylamin gegenwärtig bevorzugt. Diese Komponente macht 0,01 bis 2 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,1 bis 0,5 Gewichtsprozent, der Wärmeübertragungsflüssigkeit aus.

Für die Herstellung der vorliegend verwendeten Zubereitungen gibt es keine kritische Reihenfolge oder keine kritischen Mischbedingungen. Man gibt die beiden Komponenten lediglich in den angegebenen Mengenverhältnissen in ein entsprechendes Gefäß und vermischt sie darin bis zur Bildung einer gleichförmigen Masse miteinander.

Die Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele weiter erläutert. Alle darin enthaltenen Teil- und Prozentangaben sind auf das Gewicht bezogen, und alle Viskositätswerte sind bei 25 ⁰C gemessen, sofern nichts anderes gesagt ist.

Beispiel 1

Man stellt eine Reihe aus vier Zubereitungen her, die im wesentlichen aus einem flüssigen Polydimethylsiloxan mit einer Viskosität von 50 cS und aus Phenyl-alpha-naphthylamin bestehen. Zur Herstellung dieser Zubereitungen gibt man die beiden

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Bestandteile in ein etwa 1 Liter fassendes Gefäß solange in einen auf 70 ⁰C erwärmten Heizschrank, bis das Phenylalphanaphthylamin geschmolzen ist, worauf man das Gemisch solange schüttelt, bis sich das Phenyl-alpha-naphthylamin in dem flüssigen Polydimethylsiloxan gelöst hat und eine gleichförmige Zubereitung entstanden ist. Proben dieser Zubereitungen gibt man dann in etwa 240 ml fassende Ampullen, auf denen ein Teströhrchen mit einem Durchmesser von etwa 1,91 cm sitzt, und stellt das Ganze dann zur Ermittlung der Wärmestabilität dieser Zubereitungen in einen auf 200 ⁰C erhitzten Trockenschrank. Bevor man diese Zubereitungen in den auf 200 ⁰C erhitzten Trockenschrank gibt, bestimmt man verschiedene Eigenschaften dieser Zubereitungen, und die entsprechenden Eigenschaften werden dann auch wiederum ermittelt, nachdem die Zubereitungen 1500, 4216 und 10 OOO Stunden im Trockenschrank gewesen sind. Die bei diesen Untersuchungen erhaltenen Ergebnisse gehen aus den später folgenden Tabellen I bis VI hervor.

Die Zubereitung A besteht praktisch aus 700 g (99,99 %) des flüssigen Polydxmethylsxloxans und 0,07 g (0,01 %) des Phenylalpha-naphtylamins.

Die Zubereitung B besteht im wesentlichen aus 700 g (99,95 %) des flüssigen Polydxmethylsxloxans und 0,35 g (0,05 %) des Phenyl-alpha-naphthylamins.

Die Zubereitung C besteht im wesentlichen aus 7OO g (99,8 %) des flüssigen Polydimethysiloxans und 1,40 g (0,2 %) des Phenylalpha-naphthylamins.

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Die Zubereitung D besteht im wesentlichen aus 7OO g (99,5 %) des flüssigen Polydimethylsiloxans und 3,50 g (0,5 %) des Phenyl-alpha-naphthylamins.

Proben der obigen Zubereitungen A, B, C und D gibt man ferner in 30 ml fassende Küvetten, die man mit kleinen Bechergläsern abdeckt und in diesem Zustand zur Ermittlung der Wärmestabilität in einen auf 250 ⁰C geheizten Luftzirkulationsschrank stellt. Die bei diesem Versuch erhaltenen Ergebnisse gehen aus der später folgenden Tabelle VII hervor.

Beispiel 2

Es werden zwei Zubereitungen hergestellt. Die Zubereitung A besteht im wesentlichen aus 100 % flüssigem Polydimethylsiloxan mit einer Viskosität von 50 cS. Die Zubereitung B besteht praktisch aus 600 g (99,7 %) flüssigem Polydimethylsiloxan mit einer Viskosität von 50 c3 und 1,8 g (0,3 %) Phenyl-alphanaphthy lamin . Die Zubereitung B wird nach dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren hergestellt.

Ursprünglich sind beide obigen Zubereitungen klar und praktisch farblos. Man gibt sie dann zur Wärmealterung in einen auf 200 ⁰C geheizten Trockenschrank. Nach einmonatigem Stehen im Trockenschrank ist die Zubereitung A immer noch klar und farblos, hat jedoch eine Viskosität von 260 cS, während die Zubereitung B mittelrostfarbig und durchscheinend ist und eine Viskosität von 56 cS besitzt. Nach zweimonatigem Stehen im Trockenschrank ist die Zubereitung A immer noch klar, jedoch geliert, während die Zubereitung B eine Viskosität von 47 cS aufweist. Nach einjährigem Stehen im Trockenschrank ist die Zubereitung B

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tiefrostfarben gefärbt und hat eine Viskosität von 5O,5 cS. Nach zweijährigem Stehen im Trockenschrank ist die Zubereitung B hellorgange gefärbt und trüb, wobei ihre Viskosität 48,2 cS beträgt.

Beispiel 3

Die Zubereitungen A, B, C oder D von Beispiel 1 oder die Zubereitung B von Beispiel 2 verwendet man als Wärmeübertragungsflüssigkeiten bei Sonnenenergiesamme1systemen, wobei sich zeigt, daß diese Zubereitungen im Vergleich zur Verwendung eines flüssigen Polydimethylsiloxans allein über eine bessere Wärmealterungsstabilität verfügen.

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Tabelle I

Farbe und Aussehen

Masse

Anfangs

1500 Stunden

4216 Stunden

10 000 Stunden

klar

klar, hellgelb

klar, mittelbernsteinfarben

klar, hellgelb

durchsehe inend,
bernsteinfarben

durchscheinend, bernsteinfarben

sehr schwach gelb

dunkelbernsteinfarben viele schwarze Teilchen

tiefbernsteinfarben,
schwarze Teilchen

tiefbernsteinfarben

schwach gelb

dunkelbraun, viele schwarze Teilchen

dunkelbraun, schwarze
Teilchen

dunkelbraun

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Tabelle III

2 5 Dielektrizitätskonstante (10 /10 )

Masse Anfangs 1500 Stunden 4216 Stunden 10 000 Stunden*

_m A 2,73/2,73 2,76/2,76 2,78/2,78

00 B 2,74/2,74 2,76/2,76 2,76/2,76 2,71/2,71

ISJ ^

01 .p-

^ C 2,74/2,74 2,76/2,76 2,75/2,75 2,71/2,71 '

*. D 2,74/2,74 2,77/2,77 2,77/2,77 2,72/2,72

* Die für diese Messungen verwendete Kapazitätsbrücke 716 von General Radio wird zwischen den Versuchen bei 4216 und 10 000 Stunden nachgeeicht. Infolge dieser Nacheinstellung faller, alle Dielektrizitätskonstanten um etwa 0,02 bis 0,05. Die neueren Werte dürften korrekter und zuverlässiger sein.

Tabelle IV

10 DIs sipations faktor 10

Hasse

Anfangs

1500 Stunden

4216 Stunden

10 000 Stunden

CO O IO OO

0,000122 0,000016

0,000157 0,0000167

0,0000869 0,0000342

0,000192 0,0000342

0,000052 0,000017

0,000262 0,000017

0,000125 0,000036

(η

0,0002278 0,0000167

0,000384 0,0000342

0,00035 0,000017

0,000409 0,000036

0,000192 0,0000167

0,000314 0,0000166

0,000507 0,000017

0,000249 0,000018

A<o

CM

in

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CM
CM

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M
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VO
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η ro oo

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VO

cn

Si

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Tabelle VII Eigenschaften

Farbe und Aussehen 716 Stunden 988 Stunden 1500 Stunden

Viskosität (cS)

716 Stunden 988 Stunden 1500 Stunden

sehr schwach gelb sehr schwach gelb mittelgelb

mittelgelb

geliert

143
geliert

dunkelgelb dunkelgelb klargelb

r>J 40 000

geliert

^6 ■

Claims

Patentanspruch

Sonnenenergiesammelsystem, das eine Wärmeübertragungsflüssigkeit zum Tranpsort von Wärmeenergie von einem Teil des Systems an einen anderen Teil des Systems enthält, dadurch gekennzeichnet, daß man als Wärme-Übertragungsflüssigkeit eine Zubereitung verwendet, die praktisch aus

(A) 98 bis 99,99 Gewichtsprozent eines im wesentlichen flüssigen Polydimethylsxloxans mit einer Viskosität im Bereich von 5 bis 75 Centistoke bei 25 ⁰C und

(B) 0,01 bis 2 Gewichtsprozent eines Phenylnaphthylamins besteht.

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