MXPA01002760A

MXPA01002760A - Fluidos de transferencia termica.

Info

Publication number: MXPA01002760A
Application number: MXPA01002760A
Authority: MX
Inventors: A Damiani Robert
Original assignee: Radco Ind Inc
Priority date: 1998-09-17
Filing date: 1999-08-06
Publication date: 2002-04-24
Also published as: WO2000015730A1; CA2344276C; AU5549599A; EP1114114A1; CA2344276A1; TW495546B; EP1114114A4

Abstract

Un fluido de transferencia termica que tiene alta capacidad termica, alta capacidad de carga termica, baja viscosidad y bajo punto de congelamiento incluye difenil oxido y 1,1-difenil etano en amplias proporciones.

Description

FLUIDOS DE TRANSFERENCIA TÉRMICA Campo Técnico Los fluidos de transferencia térmica en ocasiones referidos como medios de transferencia térmica, son agentes de transferencia térmica que se utilizan en circuitos de enfriamiento y calentamiento y en unidades de recuperación de calor. Puede haber otros usos para estos fluidos y como tales, se requiere o espera que tengan una alta capacidad de transferencia térmica, alta capacidad de carga térmica y adecuada estabilidad térmica para el rango operativo. También es conveniente el tener fluidos que puedan soportar muy alto calor y sin embargo tengan bajo punto de congelamiento mientras que son inertes. Antecedentes Ha habido fluidos de transferencia térmica en la técnica previa, que tienen algunas de las características adecuadas a altas temperaturas y a bajas temperaturas y son químicamente inertes. La mezcla eutéctica de 73% de difenil óxido y 27% de difenilo comúnmente conocida como DO THERM A, es actualmente uno de los fluidos de transferencia térmica que se venden en más grande volumen en todo el mundo. Otros fluidos ampliamente empleados son una mezcla de terfenil y cuatrafenil y dibencil tolueno hidrogenados. Sin embargo, se ha vuelto conveniente el alejarse de los fluidos de transferencia térmica disponibles que previamente se han empleado por una cantidad de razones, una de las cuales son los actuales requerimientos de la Agencia de Protección Ambiental (EPA = Enverolmental Protection Agency) en cuanto a una cantidad de derrama reportable para difenilo. También es conveniente el proporcionar un fluido de transferencia térmica que tenga alta resistencia al calor y baja capacidad de congelamiento o una combinación de ambos. Descripción de la Invención El objetivo de la presente invención es superar cualesquiera desventajas de los fluidos de transferencia térmica de la técnica previa y eliminar el uso de bifenilos para evitar la necesidad por reporte de derrama bajo los reglamentos de la EPA. También es un objetivo de la presente invención, el proporcionar un fluido de transferencia térmica más útil en cuanto a niveles de calor y puntos de congelamiento se refiere y para crear adicionalmente fluidos de transferencia térmica que tienen mejor estabilidad bajo diversas condiciones. Para lograr los objetivos de esta invención, por lo tanto se ha descubierto que una mezcla en amplias proporciones de difenil óxido (DPO) , en ocasiones referida como difenil éter, que tiene una formula estructural de C6H5OC6H5 y 1, 1-difeniletano (DPE) que tiene fórmula estructural de CH3CH(C6H5)2 en cantidades variantes, pero en general una mayor cantidad ya sea de difenil óxido o 1,1- difenil etano a cantidades substancialmente iguales de difenil óxido y 1,1-difenil etano. En otras palabras, fluido con un exceso de 1, 1-difenil etano frente a difenil óxido y viceversa, proporcionan un fluido de transferencia térmica útil. Sin embargo, las proporciones preferidas de aproximadamente 5 a 50% de 1 , 1-difeniletanol a 95-50% de difenil óxido proporcionan un fluido de transferencia térmica con notables mejoras frente a fluidos de la técnica previa, es decir superiores coeficientes de transferencia térmica y menores puntos de congelamiento, así como mayor estabilidad térmica. La composición anteriormente descrita aunque es similar a las composiciones de la técnica previa ya mencionadas, no se ilustra en la técnica previa, no se ha empleado y como se estableció previamente, es notablemente mejor que las composiciones de la técnica previa en cuanto a que puede ser considerado que el desempeño de este material es inesperado e incluso sinergístico. Mejor Modo para llevar a Cabo la Invención La presente invención es una mezcla en amplias proporciones de difenil óxido (DPO) que tiene formula estructural de C6H5OC6H5 y 1, 1-difeniletano (DPE) que tiene fórmula estructural de CH3CH (C6H5) 2. Las proporciones preferidas de aproximadamente 5 a 50% de 1 , 1-difeniletano a 95-50% de difenil óxido, proporcionan un fluido de transferencia térmica que tiene altos coeficientes de transferencia térmica, bajos puntos de congelamiento y buena estabilidad térmica. Aunque una mezcla de 1 , 1-difeniletano y difenil óxido, como se estableció anteriormente es la modalidad preferida de la invención, se conoce por una persona con destreza ordinaria en la especialidad que ciertas impurezas y/o isómeros pueden agregarse en pequeñas cantidades a esta mezcla de transferencia térmica preferida sin afectar las características de desempeño de la invención, como se discute más completamente a continuación. En particular se conoce que XCELTHERM XT, un producto comercialmente disponible que consiste esencialmente de una mezcla de 92 a 95% de 1, 1-difeniletano, 7 a 4% de 1, 2 -difeniletano y 1% de difenilmetano, puede ser substituida por el material 1,1-difeniletano puro de la mezcla de transferencia térmica preferida, sin afectar esencialmente las características de transferencia térmica total de la mezcla resultante cuando se compara con las características de desempeño esperado de la modalidad preferida de la invención. El producto XCELTHERM XT se procesa por la cesionaria de esta patente, Radco Industries, Inc. de LaFox, Illinois. De acuerdo con esto, se conoce que un material que esencialmente consiste de 1, l-difeniletano y cantidades menores de otras impurezas y/o isómeros, puede ser substituido por el 1,1- difeniletano puro de la composición preferida. Pruebas de estabilidad térmica de mezclas de 1, 1-difeniletano y difenil óxido solos, se han realizado. Sin embargo, en vista de todos los materiales que se han empleado antes del desarrollo del fluido de transferencia térmica de esta invención, se ha decidido el correr pruebas confirmatorias en cuanto a la novedad y mejora inesperada que se proporcionan .por la combinación del fluido de transferencia térmica de esta invención, es decir difenil éter y 1 , 1-difeniletano . Las combinaciones que se han probado son terfenilos, dibencil tolueno, la mezcla difenil óxido-bifenilo y las composiciones de la invención para determinar que fluido proporciona los mejores resultados de transferencia térmica. Habrá de notarse aquí que los términos difenil éter", "difenil óxido" y DPO" se utilizan a través de esta especificación para indicar el mismo componente químico mientras que ,lDPE" se utilizará que indica 1, 1-difeniletano. Muchos procesos de producción industrial requieren el uso de un fluido de transferencia térmica en el rango de temperatura de 315 a 371°C (600 a 700°F) . Los fluidos de transferencia térmica empleados en este rango de temperatura caen en dos amplias clasificaciones: 1. Fluidos de fase líquida-caracterizados por baja presión de vapor con transferencia térmica que ocurre en la fase líquida. 2. Fluidos de fase líquidos/vapor caracterizados por superiores presiones de vapor con transferencia térmica que ocurre en la fase líquida o vapor. Tres distintas químicas, todas aromáticas definen los fluidos más ampliamente empleados en todo el mundo en esta clasificación de temperatura, 1. Mezcla de 73% de difenil óxido/27% de difenilo - un fluido de fase 1 íquido/vapor . 2. Mezcla terfenil/cuatrafenil hidrogenada-un fluido de fase líquida. 3. Dibencil tolueno-un fluido de fase líquida. Los factores primarios que definen un rango de uso del fluido: 1. Estabilidad térmica 2. Punto de descongelación/cristalización. El factor primario que define su efectividad dentro de su rango operativo es: 1. Coeficiente de transferencia térmica-la capacidad por cargar, transferir y descargar calor/unidad de tiempo-área a una temperatura determinada. Un factor principal en el uso de un fluido es su impacto ambiental -ya sea que esté regulado como un producto químico nocivo. Ya que estos fluidos pueden de tiempo en tiempo fugarse del sistema o derramarse en carretera, aquellos fluidos considerados como "peligrosos o nocivos" por la EPA incurren en riesgos potenciales adicionales y por lo tanto, gasto en su uso. Desventajas de los diversos tipos de fluidos: Terfenilos : 1. Solo puede utilizarse a 343°C (650°F) debido a menor estabilidad térmica. 2. Coeficiente de transferencia térmica relativamente bajo. 3. Solo puede emplearse en fase líquida. Dibencil tolueno: 1. Solo puede emplearse a 349°C (660°F) debido a menor estabilidad térmica. 2. Coeficiente de transferencia térmica relativamente bajo. 3. Solo puede emplearse en fase líquida. DPO/BIP: 1. Alto punto de descongelación/cristalización-resulta en problemas de interrupción del sistema, especialmente en climas más fríos . 2. Contiene una cantidad ambientalmente peligrosa de difenilo en derrames de más de 45.4 kg (100 libras) de difenilo . El objetivo es proporcionar un solo fluido que opere ya sea en la fase líquida/vapor con estabilidad térmica aceptable a 371°C (700°F) ofreciendo un punto de descongelación/cristalización suficientemente bajo, alto coeficiente de transferencia térmica y mínima exposición ambiental . El coeficiente de transferencia térmica es una medida primordial de la capacidad del medio de transferencia térmica para transferir calor. Por lo tanto, . Un fluido que tiene un coeficiente de transferencia térmica superior a una temperatura determinada se puede esperar que transfiera más calor/área de superficie de intercambio unitario, que otro con un menor coeficiente de transferencia térmica a la misma temperatura. Como tal, es posible una superior velocidad de producción o un decremento en tiempo de producción con el fluido que tiene el coeficiente de transferencia térmica superior. La Tabla 1 representa una comparación de los coeficientes de transferencia térmica de los tipos comunes de fluidos de transferencia térmica con los coeficientes de transferencia térmica de esta invención cuando el DPO excede a o es igual al DPE . 4 - «.

Comparación de Coeficientes de Transferencia Térmica Tabla 1 COEFICIENTES DE TRANSFERENCIA TÉRMICA Tubería de 5.08 cm (2") calibre 40 (5.25 cm (2.066") I.D.) @ a 2.13 m/segundo (7 pies/segundo) de gasto . * ~¡u~M?a*t«.- del fluido es de 343°C (650°F) . 2 Temperatura de uso máximo recomendada por el proveedor del fluido es de 349°C (670°F) .

El coeficiente de transferencia térmica es una medida de la capacidad de un fluido para absorber, transportar y descargar kilocalorías (BTU) . Entre mayor sea el coeficiente de transferencia térmica respecto a otro producto, mayor será la capacidad del fluido con el superior coeficiente de transferencia térmica para transferir calor por área unitaria de superficie de termointercambio .

La Tabla 2 representa una comparación de los coeficientes de transferencia térmica de los tipos comunes de fluidos de transferencia térmica con los coeficientes de transferencia térmica de esta invención cuando DPE excede a DPO.

El coeficiente de transferencia térmica es una medida de la capacidad de un fluido para absorber, ^¡¡§g*^¡^jgi4¡^^ transportar y descargar kilocaiorias (BTU) Entre mayor sea el coeficiente de transferencia térmica respecto a otro producto mayor será la capacidad del fluido con el superior coeficiente de transferencia térmica para transferir calor por área unitaria de superficie de termointercambio .

Las siguientes Tablas 1A-1E y 2A-2C se derivan de coeficientes de transferencia térmica en las Tablas 1 y 2. (+)% muestra el incremento porcentual en coeficiente de transferencia térmica de DPO/DPE-DPE/DPO respecto al producto indicado. (-)% muestra el decremento porcentual en coeficiente de transferencia térmica de DPO/DPE-DPE/DPO respecto al producto indicado.

Tabla 1C COMPARACIÓN PORCENTUAL DE COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TÉRMICA 343 .3°C (650°F) Tabla 2B COMPARACIÓN PORCENTUAL DE COEFICIENTE DE TRANSFERENCIA TÉRMICA 329 .4°C (625°F) * . t V 18 Tolueno 73/27 DPO/BIP -0.33 +1.68 + 1.12 1 Temperatura de uso máximo recomendada por e 1 proveedor del fluido es de 343°C (650°F) . 2 Temperatura de uso máximo recomendada por e 1 proveedor del fluido es de 349°C (660°F) .

El punto de descongelación/punto de cristalización se determina para los diversos fluidos utilizando ASTM D97. La Tabla 3 representa una comparación de puntos de descongelación/puntos de cristalización de los diversos fluidos.

La estabilidad térmica puede definirse como la resistencia de los enlaces químicos a fisuración térmica. Un fluido que exhibe mayor estabilidad térmica respecto a otro a cualquier temperatura determinada proporcionará una vida fluida incrementada y un potencial disminuido para incrustación del sistema provocada por degradación térmica de sub-productos. Las pruebas de estabilidad térmica se realizaron utilizando el procedimiento de prueba de ampolleta. La prueba de ampolleta se acepta generalmente como una norma industrial para la prueba de estabilidad térmica relativa entre fluidos de transferencia térmica. Aunque no hay prueba de ampolla de tipo ASTM standard , 21 definida, los datos generados por esta prueba han demostrado ser confiables sobre el curso de muchos años. Existen variaciones entre métodos en cuanto a la composición y diámetros de las ampolletas, el método por el 5 cual el oxígeno se retira de la ampolleta, el tamaño de la muestra y la temperatura operada. Sin embargo, excepto por aquellos métodos que no proporcionan adecuadamente remoción de oxígeno, los resultados relativos son confiables siempre que se mantengan temperaturas uniformes a través del horno. 10 Los datos sirven para definir las diferencias de desempeño en estabilidad térmica entre fluidos en cualquier sistema determinado. El procedimiento para la prueba de ampolleta es como sigue: 15 Propósito: Determinar la estabilidad térmica relativa al medir la descomposición térmica de fluidos de transferencia térmica bajo condiciones semejantes en la ausencia de oxígeno . 20 A. PREPARACIÓN DE MUESTRA 1. Se cortan tramos de 15.24 cm (6") de tubería limpia, seca 316 ss (3.81 cm (3/2) O. D. por .79 cm (5/16) I.D.) en cantidad suficiente para que se prueben dos muestras de cada 25 fluido. 2. Se lavan los interiores de los tubos con xilol seguido por acetona, soplan con aire y dejan secar. 3. Utilizando accesorios Swagelok de acero inoxidable, se tapa un extremo de cada tubo. Utilizando una herramienta de mordentado de metal, se etiquetan los tubos ÍA, IB, etc. B. PREPARACIÓN DE MUESTRA. 1. Se colocan 5 ml de cada muestra en ampolletas individuales (muestra # 5 ml en ampolleta marcada ÍA, 5 ml en ampolleta marcada IB, etc) y se anota el nombre del producto de la muestra y su ampolleta designada . 2. Se retienen 5 ml de cada muestra en una ampolleta de vidrio y se apartan como referencia . 3. Se colocan las ampolletas llenas verticalmente en una rejilla de tubo de metal colocando las muestras en cualquier lado de la rejilla. C. REMOCIÓN DE OXÍGENO Procedimientos de rociado de tubo 1. Se colocan los tubos destapados, llenos (en la rejilla) en la caja de guantes. 2. Se colocan las tapas y las herramientas requeridas en la caja de guantes. 3. Se conecta la línea de nitrógeno a la bolsa desinflada con tubería de .32 cm (1/8") . 5 4. Se instala un tablero como una superficie de trabajo. 5. Se inicia nitrógeno a 4.22 kg/cm2 (60 psi) en el regulador. 6. Después, de que la bolsa se empieza a inflar, ío se sella el extremo abierto con cinta de acuerdo con las instrucciones. 7. Después de que la bolsa se infla completamente, se abre la válvula de ventilación . ís 8. Se reduce la presión del regulador a 2.1 kg/cm2 (30 psi) . 9. Después de que la bolsa se ha inflado se coloca el tubo de rociado (nitrógeno a 2.1 kg/cm2 (30 psi)) en cada tubo por minuto. 20 10. Se tapa cada tubo inmediatamente después de rociar con nitrógeno. D. ESFUERZO TÉRMICO 1. Se coloca la rejilla de tubos preparados de ampolletas en un horno capaz de mantener la 25 temperatura selecta a +/-.56°C (1°F) y con no más de gradiente de temperatura de más menos .28°C ( °F) a través del horno. 2. Se lleva el horno a la temperatura deseada y mantiene a esta temperatura bajo los parámetros definidos anteriormente por 336 horas (dos semanas) . 3. Al final del periodo de tiempo se apaga el horno y se deja que las ampolletas se enfríen- por 24 horas sin perturbar. E. ANÁLISIS 1. Se destapa cada ampolleta y decanta en una ampolleta de vidrio de 15 ml adecuadamente etiquetada . 2. Se analiza cada muestra de referencia retenida y sus muestras procesadas apropiadas utilizando la metodología de cromatografía de gas Simdis ASTMD2997. 3. Se calcula el por ciento de caldera superior/inferior de cada muestra respecto a la muestra de referencia. Los resultados de la prueba de estabilidad térmica son como sigue: Estabilidad térmica-resistencia de enlaces químicos a fisuración térmica a cualquier temperatura cuando DPO está en exceso de o igual a DPE en comparación con tipos comunes de fluidos de transferencia térmica, se ilustra en la Tabla 4.

Comparación de Estabilidad Térmica Tabla 44 Prueba de ampolleta de 336 horas % DE DESCOMPOSICIÓN TÉRMICA TemTerDBT¿ perafetura nilo1 °C (°F) 315.6 0.87 0.6 (600) 329.4 1.36 0.03 (625) 343.3 3.5 2.3 0.1 0.12 0.15 0.22 (650) 357.2 N/A1 N/A2 0.11 0.13 0.37 0.6 0.88 1.6 (675) 371.1 N/A1 N/A2 0.49 0.48 1.67 2.89 4.5 7.42 (700) 1 Temperatura de uso máximo recomendada por el proveedor de fluido es 343.3°C (650°F) " Temperatura de uso máximo recomendada por el proveedor de fluido es 348 .9°C (660°F) 3 Temperatura de uso máximo recomendada por el proveedor de fluido es 398 .9°C (750°F) análisis de muestra por ASTM D2997.

Estabilidad térmica-resistencia de tableros químicos a fisuración térmica a cualquier temperatura determinada cuando DPE excede DPO en comparación con los tipos comunes de fluidos de transferencia térmica, se ilustra en la Tabla 5.

De esta manera, las pruebas de las diversas composiciones químicas demuestran que la mezcla de difenil éter u óxido/1 , 1-difeniletano es superior en cuanto al coeficiente de transferencia térmica y la estabilidad térmica se refiere con relación a terfenilo y dibencil tolueno y equivalente o superior en coeficiente de transferencia térmica a la mezcla eutéctica de difenil óxido y difenilo mientras que proporciona menor punto de descongelación y finalmente evita el uso de difenilo que ahora es importante para la industria. Diversas características de la invención se han mostrado y descrito particularmente en conexión con las modalidades ilustradas de la invención, sin embargo habrá de entenderse que estas disposiciones o arreglos particulares simplemente ilustran y que a la invención se le habrá de dar su más completa interpretación dentro de los términos de las reivindicaciones anexas.

Claims

* . 30 REIVINDICACIONES 1. Un fluido de transferencia térmica libre de difenilo que comprende una mezcla de difenil óxido y 1,1- difeniletano. 5 2. El fluido de transferencia térmica de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el 1 , 1-difeniletano está constituido por una mezcla de 1 , 1-difeniletano y una o más impurezas. 3. El fluido de transferencia térmica de ío conformidad con la reivindicación 2, caracterizado porque una o más impurezas pueden seleccionarse del grupo que consiste de difenil metano y 1, 2 -difeniletano. 4. El fluido de transferencia térmica de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque 15 el 1 , 1-difeniletano consiste esencialmente de una mezcla de l, 1-difeniletano, 1, 2-difeniletano y difenil metano. 5. El fluido de transferencia térmica de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado porque el 1 , 1-difeniletano es de aproximadamente 92 a 95% en peso 20 de la mezcla, el 1, 2-difeniletano es aproximadamente 7 a 4% en peso de la mezcla y el difenil metano es aproximadamente 1% en peso de la mezcla. 6. El fluido de transferencia térmica de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque 25 la cantidad de 1 , 1-difeniletano está en el rango de un , 31 exceso a igual que el difenil óxido. 7. El fluido de transferencia térmica de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la cantidad de difenil óxido está en el rango de un exceso 5 a igual a 1, 1-difeniletano. 8. El fluido de transferencia térmica de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el difenil óxido está presente de 95 a 5% en peso de la mezcla, y el 1 , 1-difeniletano está presente de 5 a 50% en ío peso de la mezcla. 9. El fluido de transferencia térmica de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el difenil óxido está presente en aproximadamente 95% en peso de la mezcla y el 1, 1-difeniletano está presente en 15 aproximadamente 5% en peso de la mezcla. 10. El fluido de transferencia térmica de conformidad con la reivindicación • 8 , caracterizado porque el difenil óxido está presente en aproximadamente 85% en peso de la mezcla y el 1 , 1-difeniletano está presente en 20 aproximadamente 15% en peso de la mezcla. 11. El fluido de transferencia térmica de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el difenil óxido está presente en aproximadamente 75% en peso de la mezcla y el 1 , 1-difeniletano está presente en 25 aproximadamente 25% en peso de la mezcla. ^ 32 12. El fluido de transferencia térmica de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado porque el difenil óxido está presente en aproximadamente 50% en peso de la mezcla y el 1 , 1-difeniletano está presente en aproximadamente 50% en peso de la mezcla.