壁掛式太陽能導(dǎo)熱介質(zhì)性能淺析

0前言 　　近年來隨著世界能源價格不斷上漲和環(huán)保意識增強(qiáng)，面對嚴(yán)峻的節(jié)能減排形勢，我國正在大力發(fā)展和利用可再生能源，太陽能熱水器與建筑相結(jié)合是一個極為重要方向。結(jié)合我國實際情況，城鎮(zhèn)化過程中高層建筑的興建是應(yīng)對我國人口眾多和土地緊張的重要舉措，帶動壁掛式太陽能熱水器的蓬勃發(fā)展。 　　據(jù)上所述，相關(guān)配件及原料需求量大增，其中壁掛式太陽能專用導(dǎo)熱介質(zhì)作為影響熱水器熱效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)卻被眾多壁掛式太陽能熱水器生產(chǎn)廠家忽視，甚至將汽車防凍液加注到系統(tǒng)中，帶來諸多隱患（具體內(nèi)容請見《不同體系導(dǎo)熱介質(zhì)的對比》）。目前關(guān)于太陽能專用導(dǎo)熱介質(zhì)沒有國家標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可參考，本文結(jié)合2009版《美國供暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會手冊》將對太陽能專用導(dǎo)熱介質(zhì)所具備的性能和產(chǎn)品的優(yōu)劣衡量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡要分析，以期能引起行業(yè)內(nèi)有識之士關(guān)注和重視。 　　1對環(huán)境友好 　　出于對環(huán)境保護(hù)和人身安全的考慮，對環(huán)境友好這一特性是對導(dǎo)熱介質(zhì)的最基本要求，包括兩方面的要求：1.產(chǎn)品必須環(huán)保，對外界環(huán)境不會造成污染或者不利影響，比如配方中盡量避免使用磷酸鹽以免造成水資源富氧化；2.產(chǎn)品必須安全無毒，作為與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的產(chǎn)品，萬一泄漏不能危害人身安全，要求生產(chǎn)導(dǎo)熱介質(zhì)的原料做到無毒或者低毒，因此配方中不得含有鉻酸鹽、亞硝酸鹽等劇毒物質(zhì)。該項性能的衡量指標(biāo)應(yīng)該符合LD50>22000mg/kg（大鼠經(jīng)口）。 　　2 適宜抗凍劑 　　防凍性能是導(dǎo)熱介質(zhì)的基礎(chǔ)指標(biāo)，與該項指標(biāo)密切相關(guān)的是抗凍劑，抗凍劑是指能溶于水且能降低水冰點(diǎn)物質(zhì)，這些物質(zhì)主要分為無機(jī)鹽和有機(jī)醇兩大類：無機(jī)鹽類比如氯化鈉、氯化鈣等等，缺點(diǎn)：冰點(diǎn)降低有限，腐蝕性，不適于在太陽能系統(tǒng)使用。有機(jī)醇類包括甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇、甘油和其他低碳多元醇，其中由于甲醇和乙醇沸點(diǎn)和閃點(diǎn)都太低，易揮發(fā)，熱穩(wěn)定性和抗凍能力較差；甘油作為抗凍劑時濃度高、粘度大、泡沫多等缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用，因此生產(chǎn)中不宜采用甲醇、乙醇和甘油；乙二醇和丙二醇是最適宜的兩種抗凍劑，其中由于丙二醇無毒廣泛應(yīng)運(yùn)于歐美等發(fā)達(dá)國家采暖、制冷、空調(diào)等。 　　目前，市面上有針對汽車防凍液的冰點(diǎn)測定儀，該種儀器是利用光學(xué)原理對防凍液中乙二醇含量測定，誤差較大，對于其他體系或者非純乙二醇型防凍液的冰點(diǎn)無法測量，科學(xué)冰點(diǎn)測定方法如下：將產(chǎn)品試樣45ml注入試管中，裝好螺旋攪拌棒和低溫標(biāo)準(zhǔn)溫度計，用軟木塞塞好，置入制冷器的冷阱中，試管底部距冷阱底面不少于20mm，接通電源，將制冷溫度調(diào)至所需數(shù)值，即可測定冰點(diǎn)。 　　3長效性能 　　導(dǎo)熱介質(zhì)應(yīng)用于壁掛式太陽能閉式循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)，不可能像汽車防凍一兩年內(nèi)更換，必須做到8a-10a內(nèi)不會變質(zhì)和各種性能衰減的現(xiàn)象，亦即產(chǎn)品具備長效性。本性能的測定可以通過保持高溫下（180℃）三個月的方法進(jìn)行加速氧化、酸化實驗，測定導(dǎo)熱介質(zhì)各種性能的變化和衰減情況以衡量產(chǎn)品是否具備長效性能。 　　4緩蝕性能 　　該性能是衡量導(dǎo)熱介質(zhì)優(yōu)劣的主要指標(biāo)之一，壁掛式太陽能熱水器閉式循環(huán)系統(tǒng)金屬材質(zhì)為碳鋼和黃銅，因此，導(dǎo)熱介質(zhì)應(yīng)針對這兩種金屬長效緩蝕，不能像汽車防凍液那樣針對多種金屬進(jìn)行全面短效緩蝕，集中優(yōu)勢兵力解決好關(guān)鍵問題。參考美國材料與試驗學(xué)會（ASTM）的試驗方法，該性能的檢測方法如下：將平板太陽能熱水器閉式循環(huán)系統(tǒng)中常用的兩種金屬黃銅片和碳鋼片（25cm×5cm）浸泡在導(dǎo)熱介質(zhì)中，在88℃下不斷通空氣336h，試驗結(jié)束后，測定試片重量變化，觀察試片及導(dǎo)熱介質(zhì)的外觀變化，質(zhì)量損失≤10mg/片。 　　5阻垢性能 　　導(dǎo)熱介質(zhì)在長期運(yùn)行過程中必不能產(chǎn)生污垢，否則，污垢沉積在管道內(nèi)或夾套壁上，造成三個弊端：首先管道變窄阻力增大，導(dǎo)致導(dǎo)熱介質(zhì)流速降低影響換熱效率；其次水中的各種離子以鹽類或堿類形式附著在金屬表面，增加了銹蝕的風(fēng)險；最后金屬表面沉積一層黃白色水垢后，影響金屬的導(dǎo)熱效果，降低導(dǎo)熱效率。 　　堿性條件下，水垢常含有Ca2+、Mg2+的CaCO3、MgCO3、Mg（OH）2沉淀，也有Ca2+、Mg2+、Na+的氯鹽，還含有Ca2+、Mg2+的硫酸鹽、硅酸鹽等。因此要提高導(dǎo)熱介質(zhì)的阻垢性能從兩方面入手：1. 配制溶液時使用去離子水，降低Ca2+、Mg 2+ 在水中的含量，其硬度控制在15ppm 以下，同時控制水的電導(dǎo)率（減少水中電解質(zhì)的含量）；2.添加適宜的阻垢劑避免水垢的產(chǎn)生和附著。 　　6酸堿度 　　酸堿度是衡量導(dǎo)熱介質(zhì)緩蝕性能的關(guān)鍵參數(shù)，導(dǎo)熱介質(zhì)必須控制在適宜的酸堿性才能起到緩蝕效果，體現(xiàn)在如下兩項指標(biāo)： 　　1. pH值 　　導(dǎo)熱介質(zhì)最適宜的pH值范圍為8-11，在此范圍內(nèi)溶液對各種金屬的腐蝕率最低。導(dǎo)熱介質(zhì)的pH值要堅決避免＜7，否則，不但沒有緩蝕效果，溶液本身對金屬發(fā)生腐蝕；pH值在7-8之間時雖然不會對金屬產(chǎn)生腐蝕，但是溶液容易向酸性轉(zhuǎn)變，緩蝕效果低；pH值高于11時，堿度太大，同樣增加了對金屬的腐蝕風(fēng)險和溶液的不穩(wěn)定性。pH值的粗略測量可用pH 值試紙，可測出溶液的pH 值區(qū)間；精確測量可采用pH值測量儀（精度0.1）。 　　儲備堿度是指用濃度為c（HCl）=0.1000mol/L 的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定10ml 試樣、pH值為5.5時所需要的毫升數(shù)（精確到0.1mL），導(dǎo)熱介質(zhì)的儲備堿度因冰點(diǎn)的不同略有差異。該項指標(biāo)的測定方法概要：將10mL試樣（移液管準(zhǔn)確移?。┯谜麴s水稀釋至約100mL，再用濃度為c（HCl）=0.1000mol/L 的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定至pH值為5.5。 　　試樣的儲備堿度V（mL）按下式計算： 　　7緩沖性能 　　導(dǎo)熱介質(zhì)的pH值緩沖性能是指溶液在加入少量酸、堿、水時能抵抗pH 值改變的性能，這是延緩溶液使用壽命的重要方法，在溶液配制時要選擇適宜助劑起到pH 緩沖作用以保證導(dǎo)熱介質(zhì)的堿性。 　　8防腐性能 　　導(dǎo)熱介質(zhì)中有大量的有機(jī)物存在，因此在使用及儲存中可能由于微生物的作用而發(fā)生霉變，導(dǎo)致產(chǎn)品報廢。所以需要選擇適宜的防腐劑添加到體系中以保證產(chǎn)品不會腐敗。 　　9防沸性能 　　沸點(diǎn)高低決定了導(dǎo)熱介質(zhì)的適用溫度區(qū)間，也是衡量產(chǎn)品防沸性能的重要指標(biāo)。因冰點(diǎn)不同，每種規(guī)格的導(dǎo)熱介質(zhì)具有不同的沸點(diǎn)，基本上導(dǎo)熱介質(zhì)的沸點(diǎn)都應(yīng)在105℃-112℃（一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）。 　　沸點(diǎn)的測定有常量法和微量法兩種方式，常量法測定沸點(diǎn)采用蒸餾裝置，在操作上與蒸餾相同，較簡單易行；微量法操作麻煩，雖然精度高但不建議使用。 　　10低泡性能 　　優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)熱介質(zhì)應(yīng)該具備低泡性能。在高溫和強(qiáng)制循環(huán)的條件下，導(dǎo)熱介質(zhì)很容易產(chǎn)生泡沫，過多的泡沫會增加空氣在溶液中的溶解度從而加劇氣穴腐蝕，同時妨礙正常循環(huán)和導(dǎo)熱，還易造成溢流損失，因此，在溶液配制過程中必須添加消泡劑加以控制泡沫傾向。簡單易行的測定方法是取50mL試樣置于100mL的量筒中，在30s內(nèi)上下劇烈搖動100次，再使量筒靜止10s后，在量筒上讀取泡沫所占容積，泡沫體積＜4mL。 　　11熱穩(wěn)定性 　　因?qū)峤橘|(zhì)長時間在高溫狀態(tài)下運(yùn)行，要求其必須具備高溫?zé)岱€(wěn)定性，這包括三方面內(nèi)容：1.溶液組成中不能有沸點(diǎn)低于水的成分，譬如不能有甲醇、乙醇等易揮發(fā)組分；2. 要求溶液中的助劑在高溫下不能產(chǎn)生沉淀或者膠體絮狀物析出，必須保持高溫狀態(tài)下溶液也為澄清透明液體；3. 要求抗凍劑在高溫下不會發(fā)生炭化、氧化，否則會導(dǎo)致溶液變質(zhì)，經(jīng)多年實驗證明乙二醇、丙二醇等幾種低碳多元醇具備良好的熱穩(wěn)定性。 　　12換熱效率 　　換熱效率的高低對整個壁掛式太陽能系統(tǒng)換熱效果起著決定性作用，在其他外界條件相同的情況下衡量換熱效率的關(guān)鍵參數(shù)是導(dǎo)熱介質(zhì)的熱傳導(dǎo)率，對于不同冰點(diǎn)乙二醇水溶液和丙二醇水溶液的熱傳導(dǎo)率在相關(guān)的手冊中可查到數(shù)據(jù)（一般以20℃時的熱傳導(dǎo)率為參考數(shù)據(jù)，不必實際檢測），總體來講，這兩種類型的水溶液隨著冰點(diǎn)的降低熱傳導(dǎo)率下降。純水是最好的導(dǎo)熱載體，其熱傳導(dǎo)率隨著溫度的升高而上升，而大部分有機(jī)醇的熱傳導(dǎo)率隨著溫度的升高而下降，但是乙二醇水溶液和丙二醇水溶液熱傳導(dǎo)率的整體效果隨著溫度升高而上升，只不過上升幅度很小。 　　13警戒色 　　在導(dǎo)熱介質(zhì)中加入無毒的水溶性著色劑，以區(qū)別于一般的循環(huán)水，起到警示作用，另一方面也容易觀察到導(dǎo)熱介質(zhì)在循環(huán)系統(tǒng)中是否發(fā)生泄漏，警戒色以藍(lán)色或者紅色為主。 　　14適宜運(yùn)動粘度 　　導(dǎo)熱介質(zhì)的運(yùn)動粘度也是影響導(dǎo)熱介質(zhì)換熱效率的因素之一，導(dǎo)熱介質(zhì)應(yīng)當(dāng)具備一定的運(yùn)動粘度以確保有良好的換熱效果，在低溫時應(yīng)當(dāng)連續(xù)流動順暢，以便壁掛式太陽能系統(tǒng)吸熱后盡快運(yùn)行；在高溫時也不至于粘度太低造成流動速度太快，容易形成氣阻，導(dǎo)致?lián)Q熱性能降低。衡量導(dǎo)熱介質(zhì)的運(yùn)動粘度一般以20℃時溶液的粘度為參考數(shù)據(jù)。 　　綜上所述，高品質(zhì)的太陽能專用導(dǎo)熱介質(zhì)應(yīng)當(dāng)為集環(huán)保、長效、防凍、防沸、低泡、熱穩(wěn)定性好和導(dǎo)熱效率高等多種優(yōu)異性能為一體的換能液。（濟(jì)南鼎隆化工科技有限公司田勝軍、東力諾瑞特新能源有限公司馬保林、山東小鴨新能源有限公司王剛）