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导热油的选择、维护与新应用领域

浏览: 作者: 来源: 时间:2021-01-11 分类:
国际摩擦学者与润滑工程师学会会员,位于密歇根州米德兰市的路博润公司子公司CPI 工程服务公司的研发总监肯.利尔耶(Ken Lilje)认为,可以利用地下条件恒定不变的特性,分别在夏季或冬季用导热油对住宅进行取暖或空气空调。

在寻找替代能源中,需要更多地关注地热和地冷资源。国际摩擦学者与润滑工程师学会会员,位于密歇根州米德兰市的路博润公司子公司CPI 工程服务公司的研发总监肯.利尔耶(Ken Lilje)认为,可以利用地下条件恒定不变的特性,分别在夏季或冬季用导热油对住宅进行取暖或空气空调。将导热油循环到地下,在夏季,消散环境高温给住宅提供凉爽空气。在冬季,导热油将地下热量输入住宅中。这种热传递可以通过一根埋入地下含有导热油的塑料管道完成。管道连接到热泵/空气调节系统,根据季节不同,可以向前或反向泵送导热油。

由于低温范围的要求,目前使用水基导热油。目前市场上可以买到甲醇、乙醇、乙二醇和丙二醇基导热油。用于地热能源的导热油,必须具有几个主要特点,低毒性,非易燃性和良好的防腐蚀保护是非常重要的,因为目前住宅内正在使用导热油。目前使用中的导热油类型也有负面特征。甲醇和乙醇是挥发性,易燃,有毒。乙二醇也有毒,在低温下非常粘稠。丙二醇虽然环保,但在低温下也非常粘稠,可以支持微生物的生长,从而导致导热油发生降解和腐蚀。

使用正确的导热油也极其重要,这样工作寿命预计至少可达10-12年。如果装置保持封闭状态,妥善保养,导热油是非易燃、无毒,并且具有良好的环保特性,那么使用寿命就不受限制。提供的另一种基于钾酸盐的替代产品,具有更好的热传导性,非易燃、低毒和环保。钾酸盐基导热油工作温度可降至-45℃。该系统可在热泵旁边进行充液,不会出现任何问题。利用图2所示的实验室试验台,对钾酸盐基导热油进行了评估。2003年,在俄亥俄州东北部新建的两个住房内进行了现场试验。根据利尔耶(Lilje)2009年的报告,这两个项目目前仍然运行良好。钾酸盐导热油已步入商品化,目前已经可以获得用于工业食品和药品应用的改进型配方。

天然气压缩机

在有机朗肯循环(ORC)系统的运营中,用导热油回收低温排放余热,用于发电机组。导热油接受废气源的热量,然后第二工作液蒸发,通过涡轮机进行发电,而后重新凝固。这一过程连续循环进行。

在加拿大的一项应用实例中,使用合成导热油回收管道上使用的天然气压缩机产生的热量,最终从两个设施生产出10兆瓦的电力。该项目是由一项发电机法规所推动的,该法规要求新电能的50%由再生能源和废热发电所提供。在热回收进程中,如果使用最高工作温度为290℃的合成导热油,最终每年可望抵消20,000-30,000吨的温室气体。一个超市可能包含多达5,000磅的冷却制冷剂。美国大约有35,000个超市,所以泄漏是一个相当大的环境和成本问题。

辅助回路制冷

超市制冷需求是相当高的,冷冻食品大型展示柜需要保持凉爽。传统直接膨胀(DX)式制冷系统的压缩机,通常设置在一个冷藏库后部的中心位置。这类系统包含大量容易泄漏的管道和接头。其结果是,采用中央直接膨胀(DX)式制冷系统的超市,通常损失的初级制冷剂多达20?30%,进入大气中。

根据西克(Heatcraft)制冷产品公司编写的白皮书,一家超市可能包含5,000磅制冷剂。美国约有35,000家超市,所以泄漏是一个相当大的环境与成本问题。二次循环制冷成为一种替代措施,减少了制冷剂的用量与和泄漏。该方法可使小型制冷系统能够用于直接冷却食品展示柜。此应用场所使用的导热油为丙二醇基。辅助回路从食品展示柜带走的热量,被转移到主制冷系统。

提供了展示辅助回路制冷的图像。靠近丹佛的一家沃尔玛超级购物中心配备的制冷系统,就是这样一个成功实例。丙二醇基导热油在中等温度的辅助回路制冷中可以提供良好的性能。该技术大大提高了能源效率,降低制冷剂成本/减少维修费用达50%。从辅助回路系统得到的热量,也可回收到店内的供热回路中,用于融化人行道上的积雪,以及作为热水采暖等用途。辅助回路制冷须在有利的气候条件下进行。在温和与凉爽气候该工艺非常有效,但在炎热或潮湿条件下未必奏效。 纳米技术

导热油中使用纳米粒子的持续研究时间,已经超过15年。麻省理工学院核科学与工程系副教授雅格布.布翁焦尔诺(Jacopo Buongiorno)博士认为,讨论导热油使用纳米粒子的第一篇论文是在1993年出现的。纳米粒子增强了导热油的热传导性性能。

布翁焦尔诺指出,某些研究人员认为纳米粒子可以增强导热系数,而另外一些研究人员则不以为然。例如,一名研究人员报告说,加入直径约为10纳米的铜纳米粒子后,乙二醇的热传导性提高了40%。第二位研究人员发表的数据显示,添加1-4 v%的铝纳米粒子后,水的热传导性提升了10-25%。

在2008年循环对比试验中,使用相同样本的研究人员的多数测量结果表明,纳米粒子改进了热传导,但并没有达到最初文献报道的异常程度。还发现纳米微粒,可以增加导热润滑油的热传导性能。据报道,在多元醇酯基制冷润滑油中使用氧化铜纳米粒子,传导性可以增加50-275%。有报道说,浓度很低的纳米粒子,可提高临界热通量(CHF)高达200%。临界热通量代表了核沸腾或导热油中气泡形成的上限。能提高临界热通量的任何进程,都可以大大改进沸腾冷却系统性能。

布翁焦尔诺与麻省理工学院核反应堆实验室副主任胡林文(Lin-wen Hu)博士,正在对纳米粒子如何可以提高核电厂导热油的性能进行评估。所评估的核反应器是轻水反应堆(LWR),它利用水作为冷却液,对裂变过程中产生的能量进行调节。 麻省理工学院的研究人员发现了三个纳米粒子在轻水反应堆中的应用前景。第一种可能性是在水中利用纳米粒子,以提高堆芯产生的能量。纳米粒子悬浮在反应堆冷却剂中可提高临界热通量(CHF),为裂变热提供更高的传输率。模拟研究显示,作为反应堆堆芯产生的功率与反应堆堆芯体积比率的功率密度提高了20%。但要确保纳米粒子在反应堆的苛刻条件(300℃温度和150个大气压)下保持物化稳定性,会成为问题。

第二个应用前景涉及应急情况下的导热油使用纳米粒子。在发生核反应堆冷却剂丧失事故时,应急堆芯冷却系统(ECCs)被激活,重新溢满堆芯和恢复冷却。如果将纳米粒子加入到应急堆芯冷却系统中,可以大大加快冷却速度。第三种可能用途是,在发生堆芯熔毁这类反应堆严重事故时,利用导热油中的纳米粒子,使反应堆冷却下来。

与其他两种应用情况不同,它是在需要时将纳米粒子基导热油注入到堆芯中。这种直接而又简单的方法,关注纳米粒子稳定性或兼容性。

将纳米基导热油注入堆芯底部周围空间。在那些假设的事故中,其目的是将熔融堆芯保持在反应堆槽内,这是通过用应急冷却剂溢满反应堆槽内周围空间而完成的。如果冷却剂含有纳米颗粒,其堆芯冷却速度可以加速。与其他两种应用前景不同,纳米基导热油在正常条件下完全与反应器系统隔开。这种直接而又简单的方法,几乎无需关注纳米粒子的稳定性或兼容性。由于任何重大的核工业创新建议获得(美)核监督管理委员会的批准,通常需要大约10年时间,麻省理工学院的研究人员认为,第三个应用前景,有关纳米技术在核反应堆中的利用,最有实现可能。

布翁焦尔诺与胡林文(Lin-wen Hu)博士从事的实验工作,采用了各种氧化物(如氧化铝、氧化硅、氧化锌、二氧化锆)以及金刚石纳米粒子。实验装置见图4。详细资料参见最近的两份参考文献。麻省理工学院的研究人员,还在探索利用纳米粒子提高制冷剂的沸腾热传递性能。初步实验结果表明,少量的纳米粒子还可以改善制冷剂的沸腾传热性能。这是一项应用于汽车业和电力电子产业的重要发现,这些产业在压力下将采用低全球变暖潜能(GLW)导热油。将纳米粒子添加到新的低全球变暖潜能(GLW)导热油中,以便维持或改善其传热性能,并能在现有系统实现直接更换,这是一个正在评估的选项。

莫哈帕特(Mohapatra)对金刚石纳米粒子在水基乙二醇和油基导热油中的使用进行了评估。金刚石纳米粒子的热传导性,要比铜这类金属大约高5-6倍。它也属于惰性材料,具有良好的热稳定性,不会发生催化反应,这意味着它不会使导热油中的其他成分或与导热油接触降解。金刚石导热系数约为2300瓦特/毫克。用于金刚石纳米粒子制备技术起源于前苏联。目前已经研究出不同的金刚石纳米颗粒,包括带有石墨片的金刚石,功能化纳米金刚石和纳米颗粒簇。

金刚石纳米粒子可以分散在油基与水基系统中(见图5)。采用0.1%的添加剂量,导热率仅改善了10%。目前正在利用各种分散技术,努力提高纳米金刚石基导热油的导热系数。非常有趣的是,已发现金刚石纳米粒子可以增加载重汽车的燃油经济性,能使柴油汽车的燃油经济性提高4%-5%。测试工作目前正在进行中。 已经开发出用于燃料电池的纳米冷却剂。该冷却剂中的纳米粒子的功能是维持低电导率,这对于系统的正常运行与安全性,是必不可少。由于具有低导电性,目前这种导热油还在计算机与电子设备冷却系统中得到应用。

未来的挑战

供应商正在寻求改进导热油效率的新途径。水基导热油确实最为有效,但受到工作温度范围的限制。人们的长远目标是要探索各种技术,以期在更广泛的温度范围内复制水基导热油的效率。

另外一个需求领域是,在保险公司与消防部门的监管压力下,强制要求在他们辖区内经营的工业企业使用低于其作业闪点值的导热油。该措施可以提高安全性,但也将用户推入两难境地。问题是,该措施会迫使制造商进一步降低工作温度,寻找闪点更高的导热油,或者停止运营。

作为一个实例,加拿大安大略省的技术标准与安全局(TSSA),要求在动物油熬炼作业的高温蒸煮器使用的低于其闪点50ㄈ的导热油。对于特定的作业,这意味着要求导热油的闪点超过260℃。

幸好人们一直在积极开发高闪点导热油,以满足这些严格要求,并能维持客户的蒸煮要求。未来,客户可安装一个气化系统,以摧毁受感染的牛肉蛋白。该系统将使用导热油捕捉所产生的热量,将其应用于熬炼作业。能源效率已经变得日益重要,导热油将在提供有效的解决方案方面发挥更大作用。尤其重要的是,可以更富有成效的方式利用热能。