Склад для покриття сонячного колектора та спосіб його нанесення

Реферат: Винахід належить до геліотехніки. Склад для нанесення покриття сонячного колектора містить як неорганічну складову мінерал шунгіт фракції 2-5 мкм у кількості 49,0-51,0 мас. %, як диспергатор - поліакрилат амонію у кількості 0,3-0,5, воду - решта. Спосіб нанесення складу для покриття сонячного колектора включає приготування складу перемішуванням одночасно з помелом, наступне нанесення складу на підкладку і здійснення термообробки в 2 стадії з швидкістю нагрівання 10 град./хв. на першій стадії при температурі 350±10 °C протягом 10±1 хв., охолодження та обробляння 9-11 % спиртовим розчином борної кислоти, а на другій стадії при 550±10 °C протягом 10±1хв., з наступним охолодженням. Реалізація винаходу забезпечує підвищення коефіцієнту поглинання в сонячному спектрі (Ас) до 0,96 та зниження коефіцієнта випромінювання () до 0,05. UA 108908 C2 (12) UA 108908 C2 UA 108908 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до геліотехніки, а саме до нанесення покриттів, зокрема до покриття металічних поверхонь неорганічними матеріалами, і може бути використаний у сонячних колекторах, які застосовуються для теплопостачання житлових будинків, промислових об'єктів та установок. В теперішній час перспективним є використання альтернативних джерел тепло- та енергопостачання. Відомий склад багатошарового селективного покриття для сонячного колектора та спосіб 6 його одержання (RU патент №2133928, МПК F24J 2/48, опубл. 27.07.1999) [1]. Відомий склад для нанесення багатошарового селективного покриття являє собою металоїд титану з нанесеним вуглецевмісним матеріалом. Спосіб нанесення вказаного покриття полягає в напилюванні на внутрішню поверхню циліндра з алюмінієвої фольги шару титану, з наступним реактивним напилюванням у вакуумі шару нестехіометричного металоїду титану, який одержують реактивним напиленням в атмосфері СО2 або N2 за парціального тиску кожного газу -2 в діапазоні (2,5-8,0) 10 Па з наступним осадженням твердого аморфного вуглецевмісного матеріалу в тліючому розряді у вакуумі в парах органічних або елементоорганічних сполук за парціального тиску їх у межах від 10 до 20 Па. Одержуване за способом [1] покриття характеризується коефіцієнтом випромінювання (ε=0,04) та коефіцієнтом поглинання в сонячному спектрі (Ас=0,94). Основним недоліком відомого складу [1] є низький коефіцієнт поглинання, який не забезпечує достатнього поглинання сонячного випромінювання і, як наслідок, не забезпечує необхідну ефективність роботи колектора. Як недолік способу слід вказати складність й багатостадійність процесу нанесення із застосуванням спеціальних газових середовищ (CO 2 або N2) і глибокого вакууму, а також використанням складного технологічного устаткування й багаторазового контролю якості покриття на всіх стадіях процесу. Найбільш близьким аналогом до винаходу за технічною суттю та результатом, що досягається, є склад покриття багатошарового селективно поглинаючого покриття для сонячного колектора та спосіб його отримання (Патент RU №2393275, (51)МПК (2006.01) C25D 11/10; F24J 2/48, опубл. 27.06.2010 [2]. Склад містить наступні компоненти, г/л: неорганічну складову - Al2(SO4)318H2O-35,0; NiSO47H2O-35,0; диспергатор - формалін - 1,5; буферну добавку - лимонну кислоту - 1,0 та воду. Склад готують перемішуванням вказаних компонентів до їх розчинення. Спосіб одержання селективного покриття полягає в наступному. Покриття наносили на підкладку розміром 30×30×0,5 мм, виготовлену з алюмінію марки А5М. Попередньо здійснювали протравлення підкладки у розчині наступного складу, г/л: азотна кислота (HNO 3) - 450-500; сульфат міді (CuSO45H2O) - 30-40; азотнокислий натрій (NaNO3) - 5-10. Протравлену поверхню обробляли розпушуванням поверхні (хімічне цинкування). Для цього на поверхню алюмінію наносили шар цинку з лужного розчину складу, г/л: гідроксид натрію (NaOH) -134; оксид цинку (ZnO) - 34,0 з наступним зняттям цього шару у 30 % Н3РО4. Після протравлення з розпушуванням здійснювали електрохімічне нанесення покриття із вищенаведеного складу. Одержане покриття характеризується коефіцієнтом поглинання в сонячному спектрі (Ас=0,94) та коефіцієнтом випромінювання (ε=0,06). Таким чином, основним недоліком відомого складу та способу його нанесення [2] є недостатньо високий коефіцієнт поглинання в сонячному спектрі (Ас=0,94) та недостатньо низький коефіцієнт випромінювання (ε=0,06), що знижує ефективність роботи колектора. Ці недоліки є принциповими для покриття сонячного колектора, оскільки не дозволяють акумулювати сонячну енергію найбільш ефективно. Крім того, недоліками способу є складна попередня обробка підкладки та екологічна небезпечність електрохімічного процесу через застосування у складі електроліту токсичної сполуки нікелю. В основу винаходу поставлена задача розробити склад для нанесення покриття сонячного колектора та спосіб його нанесення. Використання у заявленому складі неорганічної складової мінералу шунгіту - в сукупності з диспергатором іншої хімічної природи забезпечує підвищення коефіцієнту поглинання в сонячному спектрі (Ас) та зменшення коефіцієнту випромінювання (є). Висока теплопоглинаюча здатність покриття забезпечується також і способом нанесення, який полягає в нанесенні складу на підкладку з наступною термообробкою у заявленому режимі, що дозволяє спростити процес нанесення та забезпечити екологічну безпеку процесу. Одержане покриття забезпечує високу ефективність роботи сонячного колектора, придатну для акумулювання сонячної енергії та її конверсії у інші види енергії (електричну або теплову). Для вирішення поставленої задачі запропоновано склад суспензії, що включає неорганічну складову, диспергатор та воду, у якому, згідно з винаходом, склад як неорганічну складову містить мінерал - шунгіт, як диспергатор - поліакрилат амонію, і компоненти беруть при 1 UA 108908 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 наступному співвідношенні, мас. %: мінерал - шунгіт - 49-51, диспергатор - поліакрилат амонію 0,3-0,5, вода - решта, причому використовують шунгіт фракції 2-5 мкм. Поставлена задача вирішується також способом нанесення складу для покриття сонячного колектора, що включає попереднє приготування складу і нанесення останнього на підкладку, в якому, згідно з винаходом, попереднє приготування здійснюють перемішуванням, наприклад, у кульовому млині, одержаний склад наносять на підкладку шаром товщиною 4-8 мкм, механічним пристроєм, наприклад, ракельним ножем, і здійснюють термообробку в 2 стадії з швидкістю нагрівання 10 град./хв., на першій стадії термообробки - при температурі 350±10 °C протягом 10±1 хв, охолоджують та обробляють 9-11 % спиртовим розчином борної кислоти, а на другій стадії - при 550±10 °C протягом 10±1 хв, з наступним охолодженням. Нами показано, що підвищення коефіцієнту поглинання в сонячному спектрі (Ас) та зменшення коефіцієнту випромінювання (є), досягається завдяки використанню в складі суспензії мінералу - шунгіту - та поліакрилату амонію і способом нанесення останнього на підкладку. Частинки шунгіту фракції 2-5 мкм завдяки особливостям структури при розвиненій поверхні здатні ефективно поглинати світлову та теплову енергії сонячного проміння з мінімальним коефіцієнтом випромінювання. Використання заявлених компонентів у складі забезпечує рівномірний розподіл шунгіту у водній суспензії та стабільність її властивостей. Реалізація заявленого способу одержання покриття із вказаного складу шляхом нанесення та термообробки в 2 стадії з хімічною обробкою між стадіями забезпечує одержання покриття з підвищеним коефіцієнтом поглинання в сонячному спектрі (Ас=0,96) та зменшеним коефіцієнтом випромінювання (ε=0,05). Таким чином, сукупність суттєвих ознак складу для покриття та способу його нанесення є необхідною і достатньою для досягнення забезпечуваного винаходом необхідного технічного результату - підвищення коефіцієнту поглинання в сонячному спектрі (Ас=0,96) та зменшення коефіцієнту випромінювання (ε=0,05), що забезпечує високу ефективність роботи сонячного колектора для акумулювання сонячної енергії та перетворення її у інші види енергії та спрощення способу нанесення покриття при досягненні екологічної безпеки. Для одержання складу для покриття сонячного колектора за способом, що заявляється, беруть мінерал - шунгіт ТУ 2169-001-57753937-2002, фракція 5-25 мкм; як диспергатор поліакрилат амонію (Pigmentverteiler A, BASF) і воду. Усі компоненти завантажують у кульовий млин у пропорціях, що заявляються, і проводять помел протягом 40-45 хвилин. Тривалість помелу суспензії контролюють по залишку на ситі 8 мкм, величина якого не повинна перевищувати 0,1 % (мас), що забезпечує величину частинок шунгіту 2-5 мкм. Склад готового продукту характеризується наступним співвідношенням компонентів у суспензії, мас. %: мінерал - шунгіт - 49-51, диспергатор - поліакрилат амонію - 0,3-0,5, вода - решта. Одержаний склад наносять на підкладку шаром товщиною 4-8 мкм механічним пристроєм, наприклад, ракельним ножем. Після цього здійснюють термообробку в 2 стадії з швидкістю нагрівання 10 град./хв., на першій стадії термообробки - при температурі 350±10 °C протягом 10±1 хв, охолоджують та обробляють 9-11 % спиртовим розчином борної кислоти, а на другій стадії - при 550±10 °C протягом 10±1 хв, з наступним охолодженням. Основні показники, які характеризують якість покриття, визначали у такий спосіб: коефіцієнт поглинання в сонячному спектрі (Ас) визначають за допомогою спектрофотометра марки СФ-56, згідно з інструкцією до приладу (Технічний опис та інструкція по експлуатації Ю-34.11.629 ТО); коефіцієнт випромінювання (ε) визначають на терморадіометрі ТРМ "И", відповідно до інструкції до приладу. Приклад виконання за винаходом Беруть 250 г подрібненого шунгіту, фракція 5-25 мм. Шунгіт завантажують в кульовий млин 3 3 об'ємом 1,3 дм , додають 2,0 г поліакрилату амонію і 248 см води. Суміш інгредієнтів подрібнюють сталевими кулями масою 4,2 кг стандартного завантаження в сталевому барабані -1 протягом 45 хвилин при швидкості обертання барабана 75 хв . У результаті отримано 500 г суспензії наступного складу, мас. %: шунгіт - 50; диспергатор - поліакрилат амонію - 0,4; вода 49,6. Фракція шунгіту знаходиться в діапазоні 2-5 мкм. На підкладку наносять водну дисперсію композиційного матеріалу на основі шунгіту шаром товщиною 6 мкм за допомогою ракельного ножа (RU патент 2411126. МПК В29С 70/52 (2006.1), D21G 3/20 (2006/01), Опубл. 10.02.2011 Бюл. №4. Ракельный нож, конструктивные компоненты ракельного ножа, способ изготовления ракельного ножа и конструктивных компонентов ракельного ножа). Нанесений шар піддають термообробці у дві стадії із швидкістю нагрівання 10 град./хв. 2 UA 108908 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 На першій стадії підкладку з нанесеним складом термообробляють при температурі 355 °C протягом 10 хв. Підкладку охолоджують до кімнатної температури та обробляють, наприклад з пульверизатора, 10 % спиртовим розчином борної кислоти. На другій стадії підкладку з нанесеним складом термообробляють при температурі 555 °C протягом 10 хв., з наступним охолодженням. Усі процеси проводяться при атмосферному тиску в атмосфері повітря. Коефіцієнт поглинання покриття, отриманого за прикладом виконання, в сонячному спектрі (Ас), визначений за допомогою спектрофотометра марки СФ-56, склав 0,96, коефіцієнт випромінювання (ε), визначений на терморадіометрі ТРМ "И", склав 0,05 (табл. пр. 3). Аналогічно прикладу, виконання за винаходом, готували й випробовували склади для покриття сонячного колектора, вміст інгредієнтів яких знаходився як у заявленому діапазоні, так і при позамежних значеннях (табл. 10 прикладів). Із представлених даних видно, що при вмісті інгредієнтів у заявлених межах досягаються високі показники покриття: коефіцієнт поглинання в сонячному спектрі (Ас=0,96) та коефіцієнт випромінювання (ε=0,05) (табл. пр. 1-6). Вміст у складах, що заявляються, мінералу - шунгіту забезпечує високі експлуатаційні характеристики, які дозволяють його використання в геліотехніці для покриття сонячних колекторів. Позамежне зниження в складі вмісту шунгіту призводить до зниження коефіцієнт поглинання в сонячному спектрі (Ас=0,89) тобто на 7,7 % та зростання коефіцієнту випромінювання (ε=0,06) тобто на 20 % за рахунок недостатнього покриття поверхні колектора (табл., пр. 7). Позамежне збільшення в складі шунгіту не призводить до поліпшення теплофізичних характеристик колектора і є технологічно недоцільним. Коефіцієнт поглинання в сонячному спектрі (Ас) та коефіцієнт випромінювання (ε) залишаються без змін (табл., пр. 8). При позамежному зниженні в складі вмісту диспергатора поліакрилату амонію знижується коефіцієнт поглинання в сонячному спектрі (Ас=0,90) тобто на 6,25 % та зростання коефіцієнту випромінювання (ε=0,07) на 40 % за рахунок недостатнього покриття поверхні колектора (табл., пр. 9). Позамежне збільшення в складі суспензії концентрації диспергатора поліакрилату амонію не призводить до поліпшення коефіцієнту поглинання в сонячному спектрі (Ас) та коефіцієнту випромінювання (ε) (табл., пр. 10). Встановлено, що заявлений розмір частинок шунгіту у складі для нанесення покриття забезпечує завдяки формі та структурі найбільш ефективне поглинання світлової та теплової енергії (Ас=0,96) з мінімальним коефіцієнтом випромінювання (ε=0,05). Використання фракції шунгіту меншого розміру призводить до зменшення поглинання (Ас=0,94) та зростання коефіцієнту випромінювання (ε=0,07). Використання фракції шунгіту більшого розміру також призводить до зменшення поглинання (Ас=0,91) та зростання коефіцієнту випромінювання (ε=0,06) за рахунок нерівномірної структури покриття. Необхідною для отримання покриття з високими експлуатаційними характеристиками є хімічна обробка поверхні між стадіями. Обробка спиртовим розчином борної кислоти забезпечує адгезію між шарами шунгіту при двоступеневій обробці. Переваги запропонованого складу для покриття сонячного колектора та способу його нанесення, що містить як світлопоглинаючу добавку високодисперсний мінерал - шунгіт, у порівнянні з технічним рішенням [2] полягають в одержанні покриття сонячного колектора, показники якого перевершують показники [2]: за коефіцієнтом поглинання в сонячному спектрі (Ас) з 0,94 до 0,96, при зниженні коефіцієнту випромінювання (ε), з 0,06 до 0,05. Отримані фізико-хімічні й експлуатаційні характеристики складу, що заявляється, дозволяють розв'язати проблему скорочення шкідливих викидів гальванічного виробництва. Отриманий склад суспензії може бути виготовлений на стандартному устаткуванні із застосуванням стандартизованих реагентів. Їхнє широке застосування дозволить значно розширити енергетичну базу країни за рахунок залучення й раціонального, екологічно безпечного використання геліотехніки. 3 UA 108908 C2 Таблиця № п/п Показники складу для нанесення покриття коефіцієнт поглинання в коефіцієнт сонячному спектрі (Ас випромінювання (ε) За винаходом Склад для нанесення покриття, % мас. 1 2 3 4 5 6 Шунгіт - 49 Диспергатор - 0,3 Вода - решта Шунгіт - 49 Диспергатор - 0,5 Вода - решта Шунгіт - 50 Диспергатор - 0,4 Вода - решта Шунгіт - 51 Диспергатор - 0,3 Вода - решта Шунгіт - 51 Диспергатор - 0,5 Вода - решта Шунгіт - 50 Диспергатор - 0,5 Вода - решта 0,96 0,05 0,96 0,05 0,96 0,05 0,96 0,05 0,96 0,05 0,96 0,05 0,89 0,06 0,96 0,05 0,90 0,07 0,96 0,05 0,94 0,06 Позамежні значення 7 8 9 10 Шунгіт - 48 Диспергатор - 0,4 Вода - решта Шунгіт -52 Диспергатор - 0,4 Вода - решта Шунгіт - 50 Диспергатор - 0,2 Вода - решта Шунгіт - 50 Диспергатор - 0,6 Вода - решта За способом [2] 11 Електроліт складу, г/л: Al2(SO4)318H2O-35,0; NiSO47H2O-35,0; формалін - 1,5; лимонна кислота - 1,0 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 1. Склад для покриття сонячного колектора, що містить неорганічну складову, диспергатор і воду, який відрізняється тим, що як неорганічну складову він містить мінерал шунгіт фракції 25 мкм, як диспергатор - поліакрилат амонію, компоненти беруть у наступному співвідношенні, мас. %: мінерал - шунгіт диспергатор амонію вода 49,0-51,0 поліакрилат 0,3-0,5 решта. 10 2. Спосіб нанесення складу за п. 1, що включає попереднє приготування складу і нанесення останнього на підкладку, який відрізняється тим, що попереднє приготування здійснюють перемішуванням одночасно з помелом, наприклад, у кульовому млині, одержаний склад 4 UA 108908 C2 5 наносять на підкладку механічним пристроєм, наприклад, ракельним ножем, і здійснюють термообробку в 2 стадії з швидкістю нагрівання 10 град./хв., на першій стадії термообробки при температурі 350±10 °C протягом 10±1 хв., охолоджують та обробляють 9-11 % спиртовим розчином борної кислоти, а на другій стадії - при 550±10 °C протягом 10±1 хв., з наступним охолодженням. Комп’ютерна верстка Л. Бурлак Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5