太阳能导热介质
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浅析太阳能专用导热介质的性能与优劣衡量

济南鼎隆化工科技有限公司   田胜军
山东力诺瑞特新能源有限公司  马保林

    近年来随着世界能源价格的不断上涨和全世界环保意识的增强,面对严峻的节能减排形势,我国正在大力发展和利用清洁的可再生资源,太阳能热水器与建筑一体化是一个极为重要选项。结合我国的实际情况,城镇化过程中高层建筑的兴建是应对我国人口众多和土地紧张的重要举措,从而带动了壁挂式太阳能热水器的蓬勃发展,近几年来随着平板式太阳能热水器的技术提高和成熟,国内平板太阳能行业进入了高速发展期,年均增长率同比增长在50%以上。

    据上所述,相关的配件及原料需求量大增,其中壁挂式太阳能专用导热介质作为影响热水器热效率的关键环节却被众多壁挂式太阳能热水器生产厂家忽视,简单的拿汽车防冻液加注到系统中,这样会带来诸多隐患(具体内容请见《不同体系导热介质的对比》)。目前关于太阳能专用导热介质没有国标或者行业标准可参考,本文结合2009版《美国供暖制冷与空调工程师学会手册》将对太阳能专用导热介质所应具备的性能和产品的优劣衡量标准进行简要分析,以期能引起行业内有识之士关注和重视。

    1、对环境友好

    出于环境保护和对人身安全的考虑,对环境友好这一特性是对导热介质的最基本要求,这包括两方面的要求:一方面是产品必须环保,对外界环境不会造成污染或者不利影响,比如配方中尽量避免使用磷酸盐以免造成水资源的富氧化;另一方面是产品必须安全无毒,作为与人们日常生活密切相关的产品,万一泄漏时不能危害人的身体,这就要求生产导热介质的原料做到无毒或者低毒,因此配方中不得含有铬酸盐、亚硝酸盐等剧毒物质。该项性能的衡量指标应该符合LD50>22000mg/kg(大鼠经口)。

    2、适宜的抗冻剂

    防冻性能是导热介质的基础指标,与该项指标密切相关的是抗冻剂,抗冻剂是指能溶于水中而又能降低水的冰点物质,这些物质主要分为无机盐和有机醇两大类:

    无机盐类比如氯化钠、氯化钙等等,该类溶液缺点是冰点降低有限,更严重的是具有很大的腐蚀性,不适于太阳能系统使用。有机醇类包括甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇、甘油和其它低碳多元醇,其中由于甲醇和乙醇沸点和闪点都太低,易挥发,热稳定性和抗冻能力也较差;甘油作为抗冻剂时浓度高、粘度大、泡沫多等缺点也限制了其应用,因此生产中不宜采用甲醇、乙醇和甘油;乙二醇和丙二醇是最适宜的两种抗冻剂,其中由于丙二醇无毒的特性,目前丙二醇体系的水溶液是欧美等发达国家应用最广的采暖、制冷以及空调等专用的制冷剂。

    目前,市面上有针对汽车防冻液的冰点测定仪,该种仪器是利用光学原理对防冻液中乙二醇含量进行测定,误差较大,对于其他体系或者非纯乙二醇型防冻液的冰点无法测量,因此,科学的冰点测定方法如下:将产品试样45ml注入试管中,装好螺旋搅拌棒和低温标准温度计,并用软木塞塞好,置入制冷器的冷阱中,试管底部距冷阱底面不少于20mm,接通电源,将制冷温度调至所需数值,即可测定冰点。

    3、长效性能

    导热介质应用于壁挂式太阳能闭式循环系统内有其特殊性,不可能像汽车防冻液那样一两年内就要更换,必须做到8-10年内不会变质和各种性能的衰减,亦即产品要具备长效性。本性能的测定可以通过保持高温下(180℃)三个月的方法进行加速氧化、酸化实验,测定导热介质各种性能的变化和衰减情况以衡量产品是否具备长效性能。

    4、缓蚀性能

    该性能是衡量导热介质优劣的主要指标之一,壁挂式太阳能热水器的闭式循环系统金属材质为碳钢和黄铜,因此,导热介质应该针对性的对这两种金属长效缓蚀,并不能像汽车防冻液那样针对多种金属进行全面的短效缓蚀,从技术的角度来讲就是集中优势兵力解决好关键问题。参考美国材料与试验学会(ASTM)的试验方法,该性能的检测方法如下:将平板式太阳能热水器闭式循环系统中常用的四种金属黄铜片、紫铜片、304不锈钢片和碳钢片(25cm×5cm)浸泡在导热介质中,在88℃下不断通空气336小时,试验结束后,测定试片的重量变化,观察试片及导热介质的外观变化,质量损失应≤10mg/片。

    5、阻垢性能

    导热介质在长期运行过程中必须要做到不能产生污垢,否则,污垢沉积在管道内或夹套壁上,造成三个弊端:首先管道变窄阻力增大,导致导热介质流速降低影响换热效率;其次水中的各种离子以盐类或碱类形式附着在金属表面,增加了锈蚀的风险;最后金属表面沉积一层黄白色水垢后,影响金属的导热效果,降低导热效率。

    碱性条件下,水中的垢常有含Ca2+、Mg2+的CaCO3、MgCO3及Mg(OH)2沉淀,也有Ca2+、Mg2+、Na+的氯盐,还含有Ca2+、Mg2+的硫酸盐、硅酸盐等。因此要提高导热介质的阻垢性能可从两方面入手:一是配制溶液时使用去离子水,降低Ca2+、Mg2+在水中的含量是阻垢的最直接的途径,其硬度要控制在15ppm以下,同时也要控制水的电导率(减少水中电解质的含量);二是添加适宜的阻垢剂以避免水垢的产生和附着。

    6、酸碱度

    酸碱度是衡量导热介质缓蚀性能的关键参数,导热介质必须控制在适宜的酸碱性才能起到缓蚀效果,其体现在如下两项指标:

(1)pH值

    导热介质最适宜的pH值范围为8-11,在此范围内溶液对各种金属的腐蚀率最低。导热介质的pH值要坚决避免小于7,否则,不但没有缓蚀效果,溶液本身就对金属发生腐蚀;pH值在7-9之间时虽然不会对金属产生腐蚀,但是溶液容易向酸性转变,缓蚀效率低;pH值高于11时,碱度太大,同样增加了对金属的腐蚀风险和溶液的不稳定性。pH值的粗略测量可用pH值广泛试纸,可测出溶液的pH值区间;精确测量可采用pH值测量仪(精度0.1)。

    (2)储备碱度

    储备碱度是指用浓度为c(HCl)=0.1000mol/L的盐酸标准滴定溶液滴定10ml试样至pH值为5.5时所需要的毫升数(精确到0.1mL),导热介质的储备碱度因冰点的不同略有差异。该项指标的测定方法概要:将10mL试样(移液管准确移取)用蒸馏水稀释至约100mL,再用浓度为c(HCl)=0.1000mol/L的盐酸标准滴定溶液滴定至pH值为5.5。

    试样的储备碱度V(mL)按下式计算:V=(c1×V1)/c2

    式中:c1----盐酸标准滴定溶液的实际浓度,mol/L;

    V1---试验所消耗的盐酸标准滴定溶液的体积,mL;

    c2---盐酸标准滴定溶液的规定浓度,即0.1000mol/L。

    7、缓冲性能

    导热介质的pH值缓冲性能是指溶液在加入少量酸或碱和水时能抵抗pH值改变的性能,这是延缓溶液使用寿命的重要手段,在溶液配制时要选择适宜的助剂起到pH缓冲作用以保证导热介质的碱性。

    8、防腐性能

    导热介质中有大量的有机物存在,因此在使用及储存中可能由于微生物的作用而发生霉变,导致产品的报废。所以需要选择适宜的防腐剂添加到体系中以保证产品不会腐败。

    9、防沸性能

    沸点高低决定了导热介质的适用温度区间,也是衡量产品防沸性能的重要指标。因冰点的不同,每种规格的导热介质具有不同的沸点,基本上导热介质的沸点都应在105-112℃之间(一个标准大气压下)。沸点的测定有常量法和微量法两种方式,常量法测定沸点采用蒸馏装置,在操作上与蒸馏相同,较简单易行;微量法操作麻烦,虽然精度高但不建议使用。

    10、低泡性能

    优质的导热介质应该具备低泡性能。在高温和强制循环的条件下,导热介质很容易产生泡沫,过多的泡沫会增加空气在溶液中的溶解度从而加剧气穴腐蚀,同时妨碍正常的循环和导热,还易造成溢流损失,因此,在溶液配制过程中必须添加消泡剂加以控制泡沫倾向。简单易行的测定方法是取50mL试样置于100mL的量筒中,在30秒内上下剧烈摇动100次,再使量筒静止10秒后,在量筒上读取泡沫所占的容积,泡沫体积应小于4mL。

    11、热稳定性

    因导热介质长时间在高温状态下运行,要求其必须具备高温时热稳定性,这包括三方面内容:一是溶液组成中不能有沸点低于水的成分,譬如不能有甲醇、乙醇等易挥发组分;二是要求溶液中的助剂在高温下不能产生沉淀或者胶体絮状物析出,必须保持高温状态下溶液也为澄清透明液体;三是要求抗冻剂在高温下不会发生炭化、氧化,否则会导致溶液变质,因此经多年实验证明的乙二醇、丙二醇等几种低碳多元醇具备良好的热稳定性。

    12、换热效率

    换热效率的高低对整个壁挂式太阳能系统换热效果起着决定性作用,在其他外界条件相同的情况下衡量换热效率的关键参数是导热介质的热传导率,对于不同冰点乙二醇水溶液和丙二醇水溶液的热传导率在相关的手册中可查到数据(一般以20℃时的热传导率为参考数据,不必实际检测),总体来讲,这两种类型的水溶液随着冰点的降低热传导率下降。纯水是最好的导热载体,其热传导率随着温度的升高而上升,而大部分有机醇的热传导率随着温度的升高而下降,但是乙二醇水溶液和丙二醇水溶液的热传导率的整体效果是随着温度的升高而上升,只不过上升的幅度很小。

    13、警戒色

    在导热介质中加入无毒的水溶性着色剂,以区别于一般的循环水,起到警示作用,另一方面也容易观察到导热介质在循环系统中是否发生泄漏,警戒色以蓝色或者红色为主。

    14、适宜的运动粘度

    导热介质的运动粘度也是影响导热介质换热效率的因素之一,导热介质应当具备一定的运动粘度以确保有良好的换热效果,在低温时应当连续流动顺畅,以便壁挂式太阳能系统吸热后尽快运行;在高温时也不至于粘度太低造成流动速度太快,容易形成气阻,导致换热性能降低。衡量导热介质的运动粘度一般以20℃时溶液的粘度为参考数据。

    综上所述,高品质的太阳能专用导热介质应当为集环保、长效、防冻、防沸、低泡、热稳定性好和导热效率高等多种优异性能为一体的换能液。以上拙见是我们在长期研发过程中知识的积累和总结,愿与广大同仁和客户一同深入探讨和研究。