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導熱油的選擇、維護與新應用領域

瀏覽: 作者: 來源: 時間:2021-01-11 分類:
國際摩擦學者與潤滑工程師學會會員,位於密歇根州米德蘭市的路博潤公司子公司CPI 工程服務公司的研發總監肯.利爾耶(Ken Lilje)認為,可以利用地下條件恒定不變的特性,分別在夏季或冬季用導熱油對住宅進行取暖或空氣空調。

在尋找替代能源中,需要更多地關注地熱和地冷資源。國際摩擦學者與潤滑工程師學會會員,位於密歇根州米德蘭市的路博潤公司子公司CPI 工程服務公司的研發總監肯.利爾耶(Ken Lilje)認為,可以利用地下條件恒定不變的特性,分別在夏季或冬季用導熱油對住宅進行取暖或空氣空調。將導熱油循環到地下,在夏季,消散環境高溫給住宅提供涼爽空氣。在冬季,導熱油將地下熱量輸入住宅中。這種熱傳遞可以通過一根埋入地下含有導熱油的塑料管道完成。管道連接到熱泵/空氣調節係統,根據季節不同,可以向前或反向泵送導熱油。

由於低溫範圍的要求,目前使用水基導熱油。目前市場上可以買到甲醇、乙醇、乙二醇和丙二醇基導熱油。用於地熱能源的導熱油,必須具有幾個主要特點,低毒性,非易燃性和良好的防腐蝕保護是非常重要的,因為目前住宅內正在使用導熱油。目前使用中的導熱油類型也有負麵特征。甲醇和乙醇是揮發性,易燃,有毒。乙二醇也有毒,在低溫下非常粘稠。丙二醇雖然環保,但在低溫下也非常粘稠,可以支持微生物的生長,從而導致導熱油發生降解和腐蝕。

使用正確的導熱油也極其重要,這樣工作壽命預計至少可達10-12年。如果裝置保持封閉狀態,妥善保養,導熱油是非易燃、無毒,並且具有良好的環保特性,那麽使用壽命就不受限製。提供的另一種基於鉀酸鹽的替代產品,具有更好的熱傳導性,非易燃、低毒和環保。鉀酸鹽基導熱油工作溫度可降至-45℃。該係統可在熱泵旁邊進行充液,不會出現任何問題。利用圖2所示的實驗室試驗台,對鉀酸鹽基導熱油進行了評估。2003年,在俄亥俄州東北部新建的兩個住房內進行了現場試驗。根據利爾耶(Lilje)2009年的報告,這兩個項目目前仍然運行良好。鉀酸鹽導熱油已步入商品化,目前已經可以獲得用於工業食品和藥品應用的改進型配方。

天然氣壓縮機

在有機朗肯循環(ORC)係統的運營中,用導熱油回收低溫排放餘熱,用於發電機組。導熱油接受廢氣源的熱量,然後第二工作液蒸發,通過渦輪機進行發電,而後重新凝固。這一過程連續循環進行。

在加拿大的一項應用實例中,使用合成導熱油回收管道上使用的天然氣壓縮機產生的熱量,最終從兩個設施生產出10兆瓦的電力。該項目是由一項發電機法規所推動的,該法規要求新電能的50%由再生能源和廢熱發電所提供。在熱回收進程中,如果使用最高工作溫度為290℃的合成導熱油,最終每年可望抵消20,000-30,000噸的溫室氣體。一個超市可能包含多達5,000磅的冷卻製冷劑。美國大約有35,000個超市,所以泄漏是一個相當大的環境和成本問題。

輔助回路製冷

超市製冷需求是相當高的,冷凍食品大型展示櫃需要保持涼爽。傳統直接膨脹(DX)式製冷係統的壓縮機,通常設置在一個冷藏庫後部的中心位置。這類係統包含大量容易泄漏的管道和接頭。其結果是,采用中央直接膨脹(DX)式製冷係統的超市,通常損失的初級製冷劑多達20?30%,進入大氣中。

根據西克(Heatcraft)製冷產品公司編寫的白皮書,一家超市可能包含5,000磅製冷劑。美國約有35,000家超市,所以泄漏是一個相當大的環境與成本問題。二次循環製冷成為一種替代措施,減少了製冷劑的用量與和泄漏。該方法可使小型製冷係統能夠用於直接冷卻食品展示櫃。此應用場所使用的導熱油為丙二醇基。輔助回路從食品展示櫃帶走的熱量,被轉移到主製冷係統。

提供了展示輔助回路製冷的圖像。靠近丹佛的一家沃爾瑪超級購物中心配備的製冷係統,就是這樣一個成功實例。丙二醇基導熱油在中等溫度的輔助回路製冷中可以提供良好的性能。該技術大大提高了能源效率,降低製冷劑成本/減少維修費用達50%。從輔助回路係統得到的熱量,也可回收到店內的供熱回路中,用於融化人行道上的積雪,以及作為熱水采暖等用途。輔助回路製冷須在有利的氣候條件下進行。在溫和與涼爽氣候該工藝非常有效,但在炎熱或潮濕條件下未必奏效。 納米技術

導熱油中使用納米粒子的持續研究時間,已經超過15年。麻省理工學院核科學與工程係副教授雅格布.布翁焦爾諾(Jacopo Buongiorno)博士認為,討論導熱油使用納米粒子的第一篇論文是在1993年出現的。納米粒子增強了導熱油的熱傳導性性能。

布翁焦爾諾指出,某些研究人員認為納米粒子可以增強導熱係數,而另外一些研究人員則不以為然。例如,一名研究人員報告說,加入直徑約為10納米的銅納米粒子後,乙二醇的熱傳導性提高了40%。第二位研究人員發表的數據顯示,添加1-4 v%的鋁納米粒子後,水的熱傳導性提升了10-25%。

在2008年循環對比試驗中,使用相同樣本的研究人員的多數測量結果表明,納米粒子改進了熱傳導,但並沒有達到最初文獻報道的異常程度。還發現納米微粒,可以增加導熱潤滑油的熱傳導性能。據報道,在多元醇酯基製冷潤滑油中使用氧化銅納米粒子,傳導性可以增加50-275%。有報道說,濃度很低的納米粒子,可提高臨界熱通量(CHF)高達200%。臨界熱通量代表了核沸騰或導熱油中氣泡形成的上限。能提高臨界熱通量的任何進程,都可以大大改進沸騰冷卻係統性能。

布翁焦爾諾與麻省理工學院核反應堆實驗室副主任胡林文(Lin-wen Hu)博士,正在對納米粒子如何可以提高核電廠導熱油的性能進行評估。所評估的核反應器是輕水反應堆(LWR),它利用水作為冷卻液,對裂變過程中產生的能量進行調節。 麻省理工學院的研究人員發現了三個納米粒子在輕水反應堆中的應用前景。第一種可能性是在水中利用納米粒子,以提高堆芯產生的能量。納米粒子懸浮在反應堆冷卻劑中可提高臨界熱通量(CHF),為裂變熱提供更高的傳輸率。模擬研究顯示,作為反應堆堆芯產生的功率與反應堆堆芯體積比率的功率密度提高了20%。但要確保納米粒子在反應堆的苛刻條件(300℃溫度和150個大氣壓)下保持物化穩定性,會成為問題。

第二個應用前景涉及應急情況下的導熱油使用納米粒子。在發生核反應堆冷卻劑喪失事故時,應急堆芯冷卻係統(ECCs)被激活,重新溢滿堆芯和恢複冷卻。如果將納米粒子加入到應急堆芯冷卻係統中,可以大大加快冷卻速度。第三種可能用途是,在發生堆芯熔毀這類反應堆嚴重事故時,利用導熱油中的納米粒子,使反應堆冷卻下來。

與其他兩種應用情況不同,它是在需要時將納米粒子基導熱油注入到堆芯中。這種直接而又簡單的方法,關注納米粒子穩定性或兼容性。

將納米基導熱油注入堆芯底部周圍空間。在那些假設的事故中,其目的是將熔融堆芯保持在反應堆槽內,這是通過用應急冷卻劑溢滿反應堆槽內周圍空間而完成的。如果冷卻劑含有納米顆粒,其堆芯冷卻速度可以加速。與其他兩種應用前景不同,納米基導熱油在正常條件下完全與反應器係統隔開。這種直接而又簡單的方法,幾乎無需關注納米粒子的穩定性或兼容性。由於任何重大的核工業創新建議獲得(美)核監督管理委員會的批準,通常需要大約10年時間,麻省理工學院的研究人員認為,第三個應用前景,有關納米技術在核反應堆中的利用,最有實現可能。

布翁焦爾諾與胡林文(Lin-wen Hu)博士從事的實驗工作,采用了各種氧化物(如氧化鋁、氧化矽、氧化鋅、二氧化鋯)以及金剛石納米粒子。實驗裝置見圖4。詳細資料參見最近的兩份參考文獻。麻省理工學院的研究人員,還在探索利用納米粒子提高製冷劑的沸騰熱傳遞性能。初步實驗結果表明,少量的納米粒子還可以改善製冷劑的沸騰傳熱性能。這是一項應用於汽車業和電力電子產業的重要發現,這些產業在壓力下將采用低全球變暖潛能(GLW)導熱油。將納米粒子添加到新的低全球變暖潛能(GLW)導熱油中,以便維持或改善其傳熱性能,並能在現有係統實現直接更換,這是一個正在評估的選項。

莫哈帕特(Mohapatra)對金剛石納米粒子在水基乙二醇和油基導熱油中的使用進行了評估。金剛石納米粒子的熱傳導性,要比銅這類金屬大約高5-6倍。它也屬於惰性材料,具有良好的熱穩定性,不會發生催化反應,這意味著它不會使導熱油中的其他成分或與導熱油接觸降解。金剛石導熱係數約為2300瓦特/毫克。用於金剛石納米粒子製備技術起源於前蘇聯。目前已經研究出不同的金剛石納米顆粒,包括帶有石墨片的金剛石,功能化納米金剛石和納米顆粒簇。

金剛石納米粒子可以分散在油基與水基係統中(見圖5)。采用0.1%的添加劑量,導熱率僅改善了10%。目前正在利用各種分散技術,努力提高納米金剛石基導熱油的導熱係數。非常有趣的是,已發現金剛石納米粒子可以增加載重汽車的燃油經濟性,能使柴油汽車的燃油經濟性提高4%-5%。測試工作目前正在進行中。 已經開發出用於燃料電池的納米冷卻劑。該冷卻劑中的納米粒子的功能是維持低電導率,這對於係統的正常運行與安全性,是必不可少。由於具有低導電性,目前這種導熱油還在計算機與電子設備冷卻係統中得到應用。

未來的挑戰

供應商正在尋求改進導熱油效率的新途徑。水基導熱油確實最為有效,但受到工作溫度範圍的限製。人們的長遠目標是要探索各種技術,以期在更廣泛的溫度範圍內複製水基導熱油的效率。

另外一個需求領域是,在保險公司與消防部門的監管壓力下,強製要求在他們轄區內經營的工業企業使用低於其作業閃點值的導熱油。該措施可以提高安全性,但也將用戶推入兩難境地。問題是,該措施會迫使製造商進一步降低工作溫度,尋找閃點更高的導熱油,或者停止運營。

作為一個實例,加拿大安大略省的技術標準與安全局(TSSA),要求在動物油熬煉作業的高溫蒸煮器使用的低於其閃點50ㄈ的導熱油。對於特定的作業,這意味著要求導熱油的閃點超過260℃。

幸好人們一直在積極開發高閃點導熱油,以滿足這些嚴格要求,並能維持客戶的蒸煮要求。未來,客戶可安裝一個氣化係統,以摧毀受感染的牛肉蛋白。該係統將使用導熱油捕捉所產生的熱量,將其應用於熬煉作業。能源效率已經變得日益重要,導熱油將在提供有效的解決方案方麵發揮更大作用。尤其重要的是,可以更富有成效的方式利用熱能。