WO2015115883A1 - Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente - Google Patents

Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente Download PDF

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Definitions

  • the present invention is related to thermal applications. More specifically, it refers to a selective absorbent coating used on metal, used for the capture of solar energy and its conversion into thermal energy. Said coating seeks to improve the efficiency of thermal energy collection, maximizing the capture of visible light and minimizing heat emission in the metal.
  • the present invention aims to present a process for obtaining a selective absorbent coating of solar radiation at room temperature operating in the low and medium temperature range of 25 ° C to 300 ° C, and which can be applied in devices that generate heat through solar radiation or artificial lighting.
  • room temperature operating in the low and medium temperature range of 25 ° C to 300 ° C
  • different uses and applications that can be given to it.
  • Selective absorbent coatings are intended to increase the efficiency of solar collectors and are generally used in solar thermal applications. These coatings have a great absorbing power of solar energy and low emissivity characteristics to reduce energy losses by thermal radiation in the far infrared. The truth is that whatever the application, selective absorbent coatings play an essential role.
  • cermets formed by any of the following metals have been described: Cu, Ni, Co, Pt, Cr, Mo, W, Al or Ag; and as ceramic matrix the following compounds. SiO, Si0 2 , A1 2 0 3 , A1N or MgO.
  • a layer of a material with very good transparent qualities such as the following oxides: Cr 2 0 3 , Mo0 3 , WOx, H f O x or Si0 2 , where said layer acts as anti-reflective
  • the cermet must be deposited on a metal that acts as an infrared mirror, which is usually achieved with Ag, Cu, Al, Au or Pt.
  • the operating temperature of the presented invention is between room temperature and 200 ° C, manufacturing costs are reduced and it is useful for use in other industries and for applications where a high temperature is not required. of operation.
  • the invention presented is not composed of multiple layers and very good reflective and anti-reflective results are obtained before at the same time.
  • Cross section of a coating composed of substrate (1) of metallic material and metallic layer (2) which to exemplify is a cross section of a coated metal tube. It represents the cross section of a coating composed of a substrate (1) of metallic material and a radiation absorbing layer (2).
  • the present invention is characterized by forming a selective radiation absorbing coating and a process for obtaining said coating.
  • the present invention is characterized by presenting a method of obtaining a selective absorbent coating of solar radiation at room temperature using a pickling process.
  • Said coating comprises a substrate (1) of metallic material, which may be more not limited to having dielectric or ceramic characteristics and a single metallic layer (2) with reflective and anti-reflective characteristics previously applied on the substrate (1) that provides low properties emittance and has different uses, for example as a selective solar absorbent on metal surfaces or metal substrates, as well as solar thermal applications, of More non-limiting statement form, in the food industry in the production processes 5 as a textile product in the form of cloth or thread to be used in patches or inserts in the textile industry.
  • Said substrate (1) of metallic material may have surfaces of different configurations of enunciative form and texture but not limited, smooth, rough, tubes, sheets, wires, filaments, spheres, etc.
  • the selective solar radiation absorbing coating operates in the low and medium temperature range of ambient temperature 25 ° C to 300 ° C, sufficient for use in devices that generate heat through solar radiation or artificial lighting. Additionally it is applied for the heating of water and any other liquid.
  • the proposed invention also comprises a process that contemplates at least one cleaning stage, at least one first immersion and rest stage in aqueous solution, at least one first rinse stage, at least one second immersion stage in aqueous solution and at least A second rinse stage.
  • the proposed invention relates to a process for obtaining a selective coating of solar radiation using a pickling process, the method contemplates at least one cleaning step, a pickling process (immersion and rest in aqueous solution), at least a first rinsing stage, at least one immersion stage in aqueous solution and at least one second rinsing stage.
  • solvents that may be more not limited to the following substances:
  • the substrate is subjected to a pickling process in an aqueous solution of hydrofluoric acid in a concentration range of 0% to 5% plus nitric acid in a concentration of 5% to 15%.
  • a pickling process in an aqueous solution of hydrofluoric acid in a concentration range of 0% to 5% plus nitric acid in a concentration of 5% to 15%.
  • the surface to be coated is allowed to stand submerged in the solution.
  • the rinsing stage is carried out with water (it can be distilled).
  • the second immersion stage it is immersed for 9 and 13 hours in an aqueous solution of chromic acid whose concentration ranges from 200 g / L to 300 g / L and sulfuric acid that has a concentration in the range of 350 g / L at 450 g / L, obtaining an optimal coating between 9.5, 9.5 and 10.5 hours.
  • This coating is generated by applying the indicated ranges and with an ambient temperature between 20 ° C and 40 ° C and a humidity range of 0% RH to 80% RH since above the range it would create water precipitation in the solution.
  • the pre-treated substrate is immersed for a period of 9 to 13 hours in an aqueous solution of chromic acid whose concentration ranges from 200 g / L to 300 g / L and sulfuric acid having a concentration in the range of 350 g / L at 450 gr / L, obtaining an optimal coating between 9.5, 9.5 and 10.5 hours.
  • This coating is generated by applying the indicated ranges and with an ambient temperature between 20 ° C and 40 ° C and a humidity range of 0% RH to 80% RH since above the range it would create water precipitation in the solution.
  • the coated substrate is removed and subjected to a rinse that can be with water or with a liquid that removes impurities.
  • the metal substrate (1) is coated with a single layer (2) of chromium oxide having both reflective and anti-reflective characteristics at the same time.
  • the level of absorption at the wavelength from 0.25 to 1.0 ⁇ is 89%, the level of reflectance at the wavelength from 2 to 15 ⁇ is 21%.
  • the thickness of the film obtained from chromium oxide is 200nm.
  • the presented invention has the advantage of being a simple process but not used so far to solve cost reduction situations with its implementation in industries where process heat is required in the production process and fuels are mostly used. Fossils, therefore, is considered a novelty for simplicity but with a technical degree of good results.
  • Another advantage is that solvents and solutions can be reused for obtaining, so that the use of these inputs is optimized.
  • the procedure can use an additional polishing process to improve the coating, considering that the sheets, tubes and spheres can be polished; however, not using it, as in the case of wires or metal fiber, does not drastically reduce absorbance values.
  • the procedure may not use acetone, this component allows to guarantee the cleaning of the metal substrate (1) but does not affect the efficiency values obtained.

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Abstract

La presente invención está relacionada con aplicaciones térmicas. Más específicamente, se refiere a recubrimientos empleados en metales, utilizados para la captación de radiación solar o iluminación artificial. Dicho recubrimiento busca mejorar la eficiencia en la recolección de energía solar, maximizando la captación de luz visible y minimizando la emisión de calor en el metal. Se describe el procedimiento que incluye la composición y obtención de dicho recubrimiento absorbente solar operando en el rango de temperatura baja y media de 25 °C a 300 °C, y que se puede utilizar en dispositivos que generen calor a través de la radiación solar o iluminación artificial.

Description

RECUBRIMIENTO ABSORBENTE SELECTIVO DE LA RADIACIÓN Y SU PROCESO DE OBTENCIÓN A TEMPERATURA AMBIENTE
CAMPO DE LA INVENCIÓN
La presente invención está relacionada con aplicaciones térmicas. Más específicamente, se refiere a un recubrimiento absorbente selectivo empleado sobre metal, utilizado para la captación de energía solar y su conversión en energía térmica. Dicho recubrimiento busca mejorar la eficiencia en la recolección de energía térmica, maximizando la captación de luz visible y minimizando la emisión de calor en el metal.
OBJETO DE LA INVENCIÓN
La presente invención tiene como objeto presentar un proceso de obtención de un recubrimiento absorbente selectivo de la radiación solar a temperatura ambiente operando en el rango de temperatura baja y media de 25 °C a 300 °C, y que se puede aplicar en dispositivos que generen calor a través de la radiación solar o iluminación artificial. Además los diferentes usos y aplicaciones que se le pueden dar al mismo.
ANTECEDENTES
Los recubrimientos absorbentes selectivos tienen el objetivo de aumentar la eficiencia de los colectores solares y en general se usan en aplicaciones termosolares. Estos recubrimientos poseen un gran poder absorbente de la energía solar y características de baja emisividad para disminuir las perdidas energéticas por radiación térmica en el infrarrojo lejano. Lo cierto es que cualquiera que sea la aplicación, los recubrimientos absorbentes selectivos juegan un papel esencial.
Existen dos magnitudes denominadas absorbancia (a) en el UV_VIS (200-1000nm) y emitancia (ε) en el infrarrojo (1-15μπι) para la evaluación de la eficiencia de los recubrimientos absorbentes selectivos. Un recubrimiento será tanto más eficaz cuanto mayor sea α y menor sea ε. Los recubrimientos selectivos para absorción eficiente de la energía solar y su conversión en calor se caracterizan por tener un espectro de reflectancia que cambia abruptamente en la longitud de onda donde la intensidad de la radiación solar se hace nula (aproximadamente 2 μπι), de un valor muy bajo (aproximadamente 5%) a un valor muy alto (mayor a 90%) por encima de esta longitud de onda que corresponde a la región infrarroja del espectro. Esto garantiza que el calentamiento que adquiere el elemento metálico no se pierda por radiación térmica.
Se conocen diversas patentes y solicitudes de patentes relacionadas con recubrimientos selectivos solares, comúnmente los recubrimientos se conforman de un sustrato de material metálico, dieléctrico o cerámico, al menos una capa metálica reflectora y al menos una capa antireflejante y su aplicación directa es en tubos absorbentes para colectores solares cilíndrico- parabólicos y en láminas absorbentes para paneles solares como en las patentes ES2316321B2, ES2317796B2 y la solicitud de patente WO2012172148A1, la principal ventaja es la absorbancia superior al 95% y una emitancia inferior a 0.2 en el rango de los 400 °C a los 550 °C. Sin embargo, sus composiciones y métodos de obtención son muy complejos, por lo que no serían rentables en industrias como: la alimenticia, la textil, entre otras, puesto que tienen elevados costos de producción y por ende el precio del producto final.
Específicamente las invenciones descritas en las patentes ES2317796B2 ó ES2316321B2, reportan valores muy aceptables de absorbancia pero no así en cuanto a sus valores de emitancia, dando lugar a una relación de selectividad α/ε <10.
En particular, se han descrito una gran cantidad de recubrimientos selectivos que utilizan cermets formados por alguno de los siguientes metales: Cu, Ni, Co, Pt, Cr, Mo, W, Al o Ag; y como matriz cerámica los siguientes compuestos. SiO, Si02, A1203, A1N o MgO. Para mejorar la eficacia de estos cermets, deben ser cubiertos con una capa de un material con muy buenas cualidades transparentes como los siguientes óxidos: Cr203, Mo03, WOx, HfOx ó Si02, donde dicha capa actúa como antireflejante. Adicionalmente, el cermet debe ser depositado sobre un metal que actúe como espejo infrarrojo, lo que normalmente se consigue con Ag, Cu, Al, Au o Pt.
A diferencia de otras patentes la temperatura de funcionamiento de la invención presentada está entre la temperatura ambiente y 200 °C, se reduce los costos de fabricación y es útil para su uso en otro tipo de industrias y para aplicaciones donde no se requiera una elevada temperatura de funcionamiento.
La invención presentada no se compone de múltiples capas y se obtienen muy buenos resultados reflejantes y antireflej antes al mismo tiempo.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
Fig. 1. Sección transversal de un recubrimiento compuesto de substrato (1) de material metálico y capa metálica (2), que para ejemplificar se trata del corte transversal un tubo metálico recubierto. Representa la sección transversal de un recubrimiento compuesto de un substrato (1) de material metálico y una capa absorbente de la radiación (2).
Fig. 2. Valor de la reflectancia obtenida con el recubrimiento.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
La presente invención se caracteriza por conformarse de recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y un proceso de obtención para dicho recubrimiento.
Creo que sería mejor lo siguiente: La presente invención se caracteriza por presentar un procedimiento de obtención de un recubrimiento absorbente selectivo de la radiación solar a temperatura ambiente utilizando un procedimiento de decapado.
Dicho recubrimiento comprende un substrato (1) de material metálico, que puede ser más no limitarse a presentar características dieléctricas o cerámicas y una sola capa metálica (2) con características reflejantes y antirreflej antes aplicada sobre el substrato (1) que proporciona propiedades de baja emitancia y tiene diferentes usos, por ejemplo como absorbente selectivo solar sobre superficies metálicas o substratos metálicos, así como aplicaciones termosolares, de Forma enunciativa más no limitativa, en la industria de alimentos en los procesos de producción 5 como un producto textil en forma de tela o hilo para ser usados en parches o insertos en la industria textil.
Dicho substrato (1) de material metálico puede tener superficies de diferentes configuraciones de forma y textura enunciativa más no limitativa, lisas, rugosas, tubos, láminas, alambres, filamentos, esferas, etc.
Para los usos y aplicaciones antes mencionados el recubrimiento absorbente selectivo de la radiación solar opera en el rango de temperatura baja y media de temperatura ambiente 25 °C a 300°C, suficiente para su uso en dispositivos que generen calor a través de la radiación solar o iluminación artificial. Adicionalmente se aplica para el calentamiento de agua y cualquier otro líquido.
La invención propuesta comprende también un proceso que contempla al menos una etapa de limpieza, al menos una primera etapa de inmersión y reposo en solución acuosa, al menos una primera etapa de enjuague, al menos una etapa de segunda inmersión en solución acuosa y al menos una etapa de segundo enjuague.
La invención propuesta se refiere a un procedimiento para obtener un recubrimiento selectivo de la radiación solar utilizando un procedimiento de decapado, el procedimiento contempla al menos una etapa de limpieza, un proceso de decapado (inmersión y reposo en solución acuosa), al menos una primera etapa de enjuague, al menos una etapa de inmersión en solución acuosa y al menos una etapa de segundo enjuague.
En dicha etapa de limpieza la superficie metálica a recubrir se limpia con solventes que pueden ser más no limitarse a las siguientes sustancias:
• Una mezcla de silicatos, fosfatos, carbonatos y sulfatos, para eliminar impurezas como polvo y algunas grasas. • Tricloroetileno para la eliminación de grasas y aceites que puedan estar presentes en la superficie metálica.
• Acetona, para eliminar las grasas inorgánicas yrecubrimientos poliméricos, recubrimientos diferentes a los óxidos.
Posterior a la etapa limpieza se sumerge por primera vez en una solución acuosa de ácido fluorhídrico en un rango de concentración del 0% al 5% más ácido nítrico en una concentración del 5% al 15%.
Posterior a la etapa de limpieza se somete el substrato a un proceso de decapado en una solución acuosa de ácido fluorhídrico en un rango de concentración del 0% al 5% más ácido nítrico en una concentración del 5% al 15%. En un lapso de tiempo comprendido entre 8 y 16 minutos, la superficie a recubrir se deja reposar sumergido en la solución.
Posteriormente se procede a la etapa de enjuague con agua (pudiendo ser destilada).
Después, en la etapa de segunda inmersión, se sumerge durante 9 y 13 horas en una solución acuosa de ácido crómico cuya concentración va de los 200 g/L a 300 g/L y el ácido sulfúrico que tiene una concentración en el rango de los 350 g/L a 450 g/L, obteniendo un recubrimiento óptimo entre las 9.5 las 9.5 y 10.5 horas. Este recubrimiento se genera aplicando los rangos indicados y con una temperatura ambiente entre los 20°C y 40°C y un rango de humedad de 0%HR a 80%HR puesto que arriba del rango crearía precipitación de agua en la solución.
Después, se sumerge el substrato pre-tratado durante un periodo de 9 a 13 horas en una solución acuosa de ácido crómico cuya concentración va de los 200 g/L a 300 g/L y el ácido sulfúrico que tiene una concentración en el rango de los 350 g/L a 450 gr/L, obteniendo un recubrimiento óptimo entre las 9.5 las 9.5 y 10.5 horas. Este recubrimiento se genera aplicando los rangos indicados y con una temperatura ambiente entre los 20°C y 40°C y un rango de humedad de 0%HR a 80%HR puesto que arriba del rango crearía precipitación de agua en la solución. Finalmente, se retira el substrato con recubrimiento y se somete a un enjuague que puede ser con agua o con un líquido que remueva las impurezas.
Entonces, el substrato (1) metálico se recubre con una sola capa (2) de óxido de cromo que tiene características reflectantes y anti reflectantes a la vez.
El nivel de absorción en la longitud de onda de 0.25 a 1.0 μπι es de 89%, el nivel de reflectancia en la longitud de onda de 2 a 15 μπι es de 21%.
El grosor de la película obtenida de óxido de cromo es de 200nm.
Las pruebas realizadas al recubrimiento absorbente selectivo con una típica Ni/NiO arroja una espectro de reflectancia elevada tal como se muestra en la figura 2.
Como se observa la invención presentada tiene la ventaja de ser un proceso sencillo pero no utilizado hasta el momento para resolver situaciones de reducción de costos con su implementación en industrias donde se requiere de calor de proceso en el proceso de producción y se usan mayormente los combustibles fósiles, por tanto, se considera una novedad por la simpleza pero con un grado técnico de buenos resultados.
Otra ventaja es que se pueden reutilizar los solventes y soluciones para la obtención, de forma que se optimiza el uso de estos insumos.
MODALIDAD PREFERENTE DE LA INVENCION
El procedimiento puede utilizar un proceso adicional de pulido, para mejorar el recubrimiento, considerando que las láminas, tubos y esferas pueden pulirse; sin embargo, el no utilizarlo, como en el caso de los alambres o fibra metálica, no reduce drásticamente los valores de la absorbancia.
El procedimiento puede no utilizar acetona, este componente permite garantizar la limpieza del substrato (1) metálico pero no afecta en los valores de eficacia obtenidos.

Claims

REIVINDICACIONES Habiendo descrito de manera suficiente y clara mi invención, considero como una novedad y por lo tanto reclamo como de mi exclusiva propiedad, lo contenido en las siguientes cláusulas:
1. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, conformado por un substrato metálico y al menos una capa metálica caracterizado porque dicha capa metálica posee características reflejantes y antirreflej antes y su procedimiento de obtención incluye un proceso de decapado, conformado, conformado por un substrato metálico y al menos una capa metálica caracterizado porque dicha capa metálica posee características reflejantes y antirreflej antes.
2. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, caracterizado porque se obtiene mediante un proceso que contempla al menos una etapa de limpieza, al menos un proceso de decapado, al menos una primera etapa de enjuague, al menos una etapa de segunda inmersión en solución acuosa y al menos una etapa de segundo enjuague.
3. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, según la reivindicación 1, caracterizado además porque dicho substrato de material metálico tiene superficies de diferentes formas y texturas tales como lisas, rugosas, tubos láminas, alambres, filamentos, esferas, etc.
4. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, según la reivindicación 1, caracterizado además porque dicha capa metálica se compone de óxido de cromo.
5. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, según la reivindicación 2, caracterizado además porque dichas etapas se desarrollan a una temperatura ambiente entre los 20°C y 40°C y un rango de humedad de 0%HR a 80%HR.
6. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, según la reivindicación 2, caracterizado además porque en la etapa de limpieza la superficie metálica se recubre con solventes que de forma enunciativa, más no limitativa son una mezcla de silicatos, fosfatos, carbonatos y sulfatos, tricloroetileno y acetona.
7. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, según la reivindicación 6, caracterizado además porque en la etapa de limpieza puede no utilizarse acetona.
8. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, según la reivindicación 2, caracterizado además porque en la primera etapa de inmersión la solución acuosa es ácido fluorhídrico en un rango de concentración del 0% al 5% más ácido nítrico en una concentración del 5% al 15%.
9. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, según la reivindicación 2 y 8, caracterizado además porque en la etapa de reposo la superficie a recubrir para inmerso de 8 a unos 16 minutos
10. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, según la reivindicación 2, caracterizado además porque en la etapa de primer y segundo enjuague se lleva a cabo con agua o con un líquido que remueva las impurezas.
11. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, según la reivindicación 2, caracterizado además porque en la etapa de segunda inmersión la solución acuosa es ácido crómico cuya concentración va de los 200 g/L a 300 g/L y ácido sulfúrico que tiene un concentración en el rango de los 350 g/L a 450 gr/L y se sumerge durante 9 y 13 horas.
12. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, según la reivindicación 2, caracterizado además porque en la etapa de enjuague se lleva a cabo con agua o con un líquido que remueva las impurezas.
13. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, según la reivindicación 2, caracterizado además porque se reutilizan los solventes y las soluciones utilizadas.
14. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado además porque el recubrimiento absorbente selectivo de la radiación opera en el rango de temperatura baja y media de 25 °C a 300°C.
15. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado además porque tiene funcionalidad en cualquier dispositivo que generen calor a través de la radiación solar o iluminación artificial.
16. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado además porque tiene uso en las aplicaciones termosolares, de forma enunciativa más no limitativa, en la industria de alimentos, en los procesos de producción ó como un producto textil en forma de tela o hilo para ser usados en parches o insertos en la industria textil.
17. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado además porque se utiliza para el calentamiento de agua y cualquier otro líquido en cualquier industria donde se requiera calor de proceso.
18. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado además porque no se requiere previamente un proceso de pulido.
19. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado además porque el nivel de absorción en la longitud de onda de 0.25 a 1.0 μπι es de 89%.
20. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado además porque el nivel de reflectancia en la longitud de onda de 2 a 15 μιη es de 21%.
21. Recubrimiento absorbente selectivo de la radiación y su proceso de obtención a temperatura ambiente, según las reivindicaciones 1 y 2, caracterizado además porque el grosor de la película obtenida de óxido de cromo es de 200nm.
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