DE69721738T2

DE69721738T2 - Wärmeübertragungsflüssigkeit

Info

Publication number: DE69721738T2
Application number: DE69721738T
Authority: DE
Inventors: Antti Ilves; Matti LINDSTRÖM
Original assignee: Fortum Oyj
Current assignee: Neste Oyj
Priority date: 1996-03-01
Filing date: 1997-02-27
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2017-02-28
Also published as: RU2167904C2; FI99260C; JP2000505495A; AU1882397A; US6165380A; EP0883661A1; DK0883661T3; FI99260B; PT883661E; EP0883661B1; FI960971A0; WO1997031988A1; DE69721738D1; CN1214718A; JP3521208B2; CN1093160C; ES2199345T3; ATE239773T1

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungs/Kühlfluid für einen weiten Anwendungsbereich, insbesondere für Wärmeübertragungszwecke, die die Gesichtspunkte der Umweltfreundlichkeit und der Gesundheit, zum Beispiel die Nichttoxizität, und einen weiten Temperaturbereich, voraussetzen.
Wärmeübertragungs/Kühlfluide werden gewöhnlich bei Anwendungen in der Industrie, in technischen Installationen, in Gebäuden, in einer Kälteerzeugungsanlage und bei Motoren verwendet.
Gute Wärmeübertragungseigenschaften sind in Wärmeübertragungs/Kühlfluiden wichtig. Das setzt eine gute spezifische Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Pumpfähigkeit voraus. Ein geringer Viskositätswert bei niedrigen Temperaturen ist für Wärmeübertragungsfluide typisch, da das Fluid in diesem Fall mit einer geringeren Pumpleistung zu einer turbulenten Strömung gebracht werden kann.
Zusätzlich zu den oben genannten Eigenschaften schließen wichtige Eigens haften von Wärmeübertragungsfluiden oft auch die Umweltfreundlichkeit und die Nichttoxizität ein, besonders wenn sie in der Lebensmittelindustrie und beim Erwärmen von Wasser im Haushalt verwendet werden. Das Wärmeübertragungsfluid darf keineswegs für die behandelten Produkte schädlich sein. Ein geringer Austritt des Fluids in den Prozess kann schwere Unfälle verursachen. Deshalb stellt die Nichttoxizität des Fluids einen der wichtigsten kritischen Faktoren dar.
Die meisten typischen Fluide sind organische und wasserhaltige Wärmeübertragungs/Kühlfluide. Das Problem bei organischen Fluiden besteht in der Schwierigkeit bei ihrer Verwendung und in ihrer Toxizität. Im Hinblick auf die meisten seiner Eigenschaften ist Wasser ein nahezu perfektes Wärmeaustauschfluid. Es hat gute Eigenschaften im Hinblick auf die Wärmeübertragung und die Pumpfähigkeit. Außerdem ist Wasser vollständig ungiftig und für die Umwelt ungefährlich. Außerdem ist es keineswegs entflammbar. Der wesentliche Nachteil von Wasser besteht tatsächlich im engen Temperaturbereich für seine Verwendung.
Wasser gefriert bekanntlich bei 0°C und siedet bei 100°C. Außerdem verursacht Wasser eine Korrosion, insbesondere im Zusammenhang mit eisenhaltigen Materialien.
Als Stand der Technik im Hinblick auf Wärmeübertragungsfluide, die bei geringen Temperaturen verwendet werden, kann zum Beispiel auf die veröffentlichte EP-Anmeldung 0641849 Bezug genommen werden, die eine Wärmeübertragungsfluid-Zusammensetzung offenbart, die ein Alkylmethylsiloxan-Fluid oder eine Kombination von Alkylmethylsiloxan-Fluiden und verschiedener Fluide umfasst, die auf Polydiorganosiloxan mit endständigen Trimethylsilylgruppen basieren.
Die typischsten wässrigen Wärmeübertragungsfluide sind wässrige Gemische von Ethylenglycol, Propylenglycol und Ethanol. Ethylenglycol ist eines der am besten bekannten Wärmeübertragungsfluide und wird insbesondere in der Automobilindustrie verwendet. Die Verwendung von Ethylenglycol hat jedoch Nachteile, da die Substanz toxisch und nicht sehr umweltfreundlich ist. Bei Anwendungszwecken, bei denen weniger toxische Eigenschaften gefordert sind, wird tatsächlich oft Propylenglycol anstelle von Ethylenglycol verwendet. Obwohl Propylenglycol relativ ungiftig ist, ist es trotzdem eine Substanz, die die Umwelt verschmutzt. Ein Nachteil von Propylenglycol ist die starke Zunahme seiner Viskosität bei geringen Temperaturen; das erhöht die erforderliche Pumpleistung.
Die Nichttoxizität von Ethanol im Vergleich mit Ethylenglycol stellt einen Vorteil bei seiner Verwendung dar, seine Verwendung hat jedoch den Nachteil seiner hohen Flüchtigkeit und folglich seiner Feuergefahr und einer starken Erhöhung seiner Viskosität bei geringen Temperaturen, wobei letztere jedoch vorteilhafter als bei Propylenglycolen ist. Aus diesem Grund stellt Ethanol in Labors und unter Bedingungen, die eine Nichttoxizität erfordern, die gewöhnlich als Wärmeübertragungsfluid verwendete Substanz dar. Die Verwendung von Ethanol beinhaltet jedoch das Problem, dass sie Zulassungen von den Gesundheitsbehörden erfordert – ein Faktor, der die Verwendung dieses Fluids kompliziert macht.
Die Korrosion, insbesondere im Falle von Glycolen, hat die Anwender gezwungen, teure und effektive Korrosionsinhibitoren zu suchen. Die Überwachung der Zusammensetzung und der Konzentration der Korrosionsinhibitoren ist schwierig. Im Allgemeinen macht ein effektiver Inhibitor eine ansonsten sehr ungiftige Flüssigkeit toxisch. Typischerweise erhöhen komplizierte Lösungen die Kosten der fertigen Lösung.
Im Zusammenhang mit dem mit Korrosionsinhibitoren verbundenen Stand der Technik kann auf die veröffentlichte EP-Anmeldung 0369100 Bezug genommen werden, die ein Wärmeübertragungsfluid offenbart, das ein Dicarbonsäuregemisch als Korrosionsinhibitor enthält, und bei dem die Zusammensetzung des Kühlfluids einen wasserlöslichen flüssigen Alkohol aufweist, um den Gefrierpunkt zu verringern; in dieser Eigenschaft wurden zum Beispiel Ethylenglycol und ein Gemisch aus Glycol und Diethylenglycol verwendet.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Wärmeübertragungs/Kühlfluids, bei dem die Probleme und Nachteile der Möglichkeiten aus dem Stand der Technik beseitigt oder zumindest wesentlich minimiert sind.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Wärmeübertragungs/Kühlfluid bereitzustellen, das für die Verwendung bei geringen Temperaturen geeignet ist, und das in Hinblick auf die Gesundheit und die Umwelt sicher ist und sich technisch ökonomisch verwenden lässt.
Das erfindungsgemäße Wärmeübertragungs/Kühlfluid ist grundsätzlich dadurch gekennzeichnet, dass es 15 bis 70 Gew.-% Trimethylglycin oder eines Derivats davon und 30 bis 85 Gew.-% Wasser enthält. Das typischste erfindungsgemäße Kühlfluid enthält 35 Gew.-% Trimethylglycin. Weitere Einzelheiten sind aus den Ansprüchen ersichtlich.
Eine bevorzugte Verbindung für die Verwendung als Komponente im Wärmeübertragungsfluid ist Trimethylglycin oder Salze von Trimethylglycinhydrat. Eine besonders bevorzugte Verbindung ist Trimethylglycin, d. h. Betain. Die letztere kann durch Abtrennen von natürlichen Produkten, z. B. Zuckerrüben, hergestellt werden; dadurch kann ein Wärmeübertragungsfluid mit biologischem Ursprung hergestellt werden, das einen vorteilhaften Lebenszyklus hat.
Das erfindungsgemäße Wärmeübertragungs/Kühlfluid hat die Vorteile der Nichttoxizität und Unkompliziertheit. Seine physikalischen Eigenschaften sind die gleichen wie die von Glycollösungen. Das erfindungsgemäße Wärmeübertragungs/Kühlfluid ist für die Verwendung bei Temperaturen von –50 bis +100°C geeignet. Ein bevorzugter Temperaturbereich in Wärmepumpen und in einer Kälteerzeugungsanlage liegt bei –40 bis +70°C. Außerdem hält das erfindungsgemäße Wärmeübertragungs/Kühlfluid dem Kochen stand, das gelegentlich bei Solarplatten auftritt.
Zusammen mit dem erfindungsgemäßen Wärmeübertragungs/Kühlfluid können herkömmliche Korrosionsinhibitoren, Stabilisierungsmittel und Markierungsmittel verwendet werden, die zu einem gegebenen Zeitpunkt notwendig sind und auf diesem Fachgebiet allgemein bekannt sind.
Das erfindungsgemäße Wärmeübertragungs/Kühlfluid ist weniger toxisch und umweltfreundlicher als bekannte Kühlfluide. Es wird nicht als Problemabfall klassifiziert, und seine einfache Zerstörung verringert die Kosten. Die Handhabung des Abfalls des erfindungsgemäßen Wärmeübertragungsfluids erfordert keine speziellen Maßnahmen; es kann im Boden absorbiert oder in den Abfluss gelassen werden, wohingegen Ethylen- und Propylenglycol und Ethanol, die bei Möglichkeiten aus dem Stand der Technik verwendet werden, entweder in einer Behandlungsanlage für Problemabfälle oder unter Aufsicht von staatlichen Behörden behandelt werden müssen.
Das erfindungsgemäße Wärmeübertragungs/Kühlfluid ist für die Verwendung bei verschiedenen Anwendungszwecken, insbesondere jenen, bei denen die Temperaturen gering sind und die erfordern, dass das Fluid umweltfreundlich und nicht toxisch ist, zum Beispiel in der Lebensmittelindustrie, geeignet. Einige Anwendungszwecke, die erwähnt werden können, schließen Solarheizsysteme, Wärmepumpen, eine Kälteerzeugungsanlage, eine Belüftungs- und Klimaanlage ein, bei der insbesondere Wärme oder Kälte aus der abgegebenen Luft gewonnen und auf die eintretende Luft übertragen wird. Eine Anwendung, die erwähnt werden kann, besteht in Solarplatten.
Beispiel I
Die Toxizität der Fluide wird auf der Basis der LD₅₀-Werte bewertet, die der Literatur entnommen wurden. Die verwendeten LD₅₀-Werte wurden bei Ratten oral getestet. Diese Werte sind in Tabelle I gezeigt.
Tabelle I
Beispiel II
In Tabelle II werden die Viskositätswerte der Fluide bei den gleichen Konzentrationen verglichen. Die Tabelle III zeigt einen Vergleich bei einer Konzentration, die dem Gefrierpunkt von –15°C entspricht. Der Gefrierpunkt ist die Temperatur, bei der in der Lösung die ersten Kristalle entstehen.
Tabelle II
Tabelle III
Beispiel III
In Tabelle IV ist die Verringerung des Gefrierpunkts verschiedener Lösungen bei einer Konzentration von 50 Gew.-% gezeigt.
Tabelle IV
Die Erfindung wird vorstehend anhand von nur wenigen bevorzugten Beispielen beschrieben; der Zweck besteht jedoch nicht darin, die Erfindung streng auf die Einzelheiten dieser Beispiele zu begrenzen. Innerhalb der erfindungsgemäßen Idee, die in den folgenden Patentansprüchen definiert ist, sind viele Änderungen und Variationen möglich.

Claims

Wärmeübertragungs/Kühlfluid, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungs/Kühlfluid 15 bis 70 Gew.-% Trimethylglycin oder Derivate davon und 30 bis 85 Gew.-% Wasser enthält.
Wärmeübertragungs/Kühlfluid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungs/Kühlfluid Salze von Trimethylglycinhydrat enthält.
Wärmeübertragungs/Kühlfluid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungs/Kühlfluid Trimethylglycin enthält.
Wärmeübertragungs/Kühlfluid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungs/Kühlfluid 30 bis 50 Gew.-% Trimethylglycin und 50 bis 70 Gew.-% Wasser enthält.
Wärmeübertragungs/Kühlfluid nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungs/Kühlfluid etwa 35 Gew.-% Trimethylglycin und etwa 65 Gew.-% Wasser enthält.
Wärmeübertragungs/Kühlfluid nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturbereich für die Verwendung des Wärmeübertragungs/Kühlfluids –50 bis +100°C beträgt.
Wärmeübertragungs/Kühlfluid nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperaturbereich für die Verwendung des Wärmeübertragungs/Kühlfluids –40 bis +70°C beträgt.
Wärmeübertragungs/Kühlfluid nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeübertragungs/Kühlfluid Trimethylglycin mit biologischem Ursprung enthält.
Verwendung des Wärmeübertragungs/Kühlfluids nach Anspruch 1 in Solarsystemen, Wärmepumpen, einer Kälteerzeugungsanlage, einer Belüftungsanlage und einer Klimaanlage.