解析分體太陽能導熱液技術(shù)

近幾年，隨著農(nóng)村太陽能市場趨于飽和、城鎮(zhèn)化的發(fā)展，傳統(tǒng)太陽能市場份額急劇下滑，而分體太陽能以其安全、美觀、實用等特點異軍突起，加之政策扶持，進入快速上升通道。導熱液作為分體太陽能的“血液”，作用至關(guān)重要，不容小覷，選擇不當，會直接影響分體太陽能的使用效果和壽命，甚至影響到消費者的健康。隨著市場增大，很多防凍液生產(chǎn)企業(yè)也逐步進入分體太陽能導熱液這個市場，出現(xiàn)了類似汽車防凍液市場上質(zhì)量參差不齊、魚龍混珠的現(xiàn)象。北京京脈化工有限公司自2006年逐步與力諾、桑樂、海林、皇明、桑普等45家太陽能企業(yè)建立了緊密的合作關(guān)系，共同經(jīng)歷和見證了分體太陽能的發(fā)展，分體太陽能導熱液發(fā)展中的苦與樂。 　　1導熱液的作用 　　1. 導熱作用 　　顧名思義，導熱液的基本功能就是導熱。集熱器利用太陽的熱能把導熱液的溫度升高，與水箱中的水產(chǎn)生溫差，通過循環(huán)，不斷發(fā)生熱交換，從而達到升高水溫的目的。 　　2. 防腐作用 　　導熱系統(tǒng)中集熱器、循環(huán)管路、水泵、水箱等部件是由鋼、鑄鐵、黃銅、紫銅、鋁、不銹鋼組成，由于不同的金屬的電極電位不同，在電解質(zhì)的作用下容易發(fā)生電化學腐蝕，同時導熱液中醇類物質(zhì)分解后形成的酸性產(chǎn)物，也促進導熱系統(tǒng)腐蝕。導熱系統(tǒng)腐蝕會使循環(huán)不暢，堵塞管道，產(chǎn)生水溫升溫慢、不升溫現(xiàn)象，若腐蝕穿孔，導熱液滲入水箱，會給使用者帶來健康隱患。因而導熱液中都加入一定量的防腐蝕添加劑，防止導熱系統(tǒng)產(chǎn)生腐蝕。 　　3. 防垢作用 　　導熱液系統(tǒng)中的水垢來源于水中的鈣鎂等陽離子，這些堿土金屬陽離子在熱負荷條件下，容易與水中的陰離子（如硫酸根離子、磷酸根離子、硅酸根離子、碳酸根離子等）反應(yīng)生成水垢。水垢能磨損水泵密封件，降低循環(huán)速度，并覆蓋在循環(huán)管道內(nèi)壁使金屬絕熱而導致導熱率降低。因此，導熱液中一定要使用經(jīng)過軟化的去離子水或蒸餾水，防止水垢生成。 　　4. 防凍作用 　　由于分體太陽能水具有良好的導熱性，同時水的比熱容大，具有很好的吸熱性能，是導熱液最理想的組分選擇。但水的冰點高，在0℃以下就開始結(jié)冰并且體積膨脹，在北方及其他冬天處在0℃以下地區(qū)，就沒辦法使用。因此，在導熱液中加入了一些能夠降低水冰點的物質(zhì)作為防凍劑，保持在冬天低溫天氣時導熱系統(tǒng)不凍結(jié)，能持續(xù)使用。 　　2導熱液的組成成分 　　1. 水 　　水是導熱液中的重要組成部分，不只因為水具有良好的導熱性能，而且二元醇防凍劑只有和水配成一定濃度的水溶液時才能充分發(fā)揮其防凍作用，并具有良好流動性。在我們?nèi)粘Ｊ褂玫淖詠硭⒑铀?、泉水、井水中含有大量溶解性物質(zhì)，如鈣、鎂、鉀、鈉、鐵等金屬離子，還含有很多陰離子如硫酸根、磷酸根、硅酸根、碳酸根和氯離子等，加熱條件下，這些陰陽離子會生成水垢，堵塞管道，降低導熱效率，影響導熱液的質(zhì)量，且氯離子和硫酸根離子達到一定濃度時，會嚴重加劇導熱系統(tǒng)的腐蝕。因此水質(zhì)非常重要，在生產(chǎn)導熱液時必須使用軟化去離子水或者蒸餾水。 　　水的比熱容較大并且熱傳導快，因此水本身就是最好的導熱介質(zhì)。其實，在南方長年無霜凍地區(qū)，純凈水加上防腐劑是最理想的導熱介質(zhì)，既經(jīng)濟又能保證質(zhì)量。京脈化工公司是一家防凍液、導熱液技術(shù)服務(wù)性公司，為國內(nèi)100多家防凍液生產(chǎn)商提供技術(shù)服務(wù)，六種不同規(guī)格不同性能的液體防腐復合劑滿足了各防凍液廠家的不同需求。 　　2. 防凍劑 　　防凍劑是指與水混合后能降低冰點的物質(zhì)，通常包括一元醇、二元醇、三元醇。 　　一元醇包括甲醇和乙醇。甲醇和乙醇降低冰點的效果最好，但沸點低、易揮發(fā)，同時閃點低，易燃，帶來很多不安全因素，甲醇毒性大，對生產(chǎn)和使用者的身心健康有一定危害，所以不論汽車防凍液和工業(yè)設(shè)備導熱液都禁止使用。 　　二元醇包括乙二醇和丙二醇。乙二醇具有優(yōu)異的降低冰點的效果，同時具有沸點高、黏度適中、毒性低的特點，在汽車防凍液中使用時又和人體接觸不緊密而得以廣泛采用。但是，用在與人體接觸密切的太陽能中時，一旦循環(huán)管路發(fā)生泄漏還是有一定健康隱患存在。乙二醇本身屬低毒物質(zhì)，但其代謝產(chǎn)物毒性較高，如乙醛酸、草酸和乳酸。對人體腎臟和大腦損傷很大，沉積過量會危及生命危險。所以我們建議在分體太陽能導熱液中應(yīng)禁止使用乙二醇作為防凍劑，防止可能性的隱患。關(guān)于物質(zhì)毒性衡量標準和等級，在這里我就不詳細贅述了，網(wǎng)上都可以查到。 　　丙二醇也具有非常優(yōu)異的防凍性能，與水具有很好的相容性，沸點高、黏度適中、且無毒，對人體和環(huán)境影響都不大，應(yīng)作為分體太陽能換熱介質(zhì)的首選材料。丙二醇自身沸點190度、冰點負60度，用它還可以做高沸點導熱液，通過和力諾、皇明技術(shù)部合作試驗，在真空管分體太陽能實際使用當中效果并不理想，所以導熱液重要歸重要，但它不是神水，不是萬能的，各太陽能公司不要盲目相信一些防凍液公司夸大其詞，吹噓導熱液的神奇功效，它只是個換熱介質(zhì)而已，該從設(shè)計工藝上想辦法的還要從工藝上想辦法。 　　丙三醇與水混合后也有很好防凍性能，高沸點，無毒，成本比丙二醇低，也可以作為導熱液的防凍劑。但其運動粘度和抗氧化性要比丙二醇差。 　　導熱液 　　防凍劑的成本決定著導熱液的成本，冰點越低，防凍劑的添加劑量就越大，成本就越高，所以不同冰點、不同防凍劑的導熱液價格也不同。太陽能公司應(yīng)該根據(jù)不同地區(qū)、不同氣候條件，選擇不同冰點的導熱液，降低產(chǎn)品成本。 　　在這里，我簡單介紹一下冰點、傾點、凝點的區(qū)別。以冰點-25℃的導熱液為例，把它放入冷域中持續(xù)降溫，當液體中出現(xiàn)第一例冰棱時的溫度是-25℃時，叫做導熱液的冰點，此時導熱液是冰水混合物，具有流動性，再持續(xù)降溫，冰凌逐漸增多聚集，液體會越來越黏稠，當液體不具有流動性但液面可以傾斜時的溫度（大約-29℃時）點，叫傾點，再繼續(xù)降溫，至液體完全凝固時的溫度（大約-34℃時），叫凝點。我為什么要講一下這個問題，是因為現(xiàn)在市場有一些防凍液公司把自己的導熱液產(chǎn)品規(guī)格標注成凝點，與標注冰點的規(guī)格產(chǎn)品比較價格，蒙騙太陽能公司。實際上標注凝點-25℃的導熱液，冰點只有-15℃，在嚴寒地區(qū)是要出大問題的。 　　以丙二醇作為防凍劑的導熱液價格 　　比丙三醇型要高很多。一些不誠信的防凍液生產(chǎn)商以丙三醇型冒充丙二醇型，牟取暴利，所以太陽能廠商應(yīng)有一些必要的進廠檢測。儀器設(shè)備也不復雜，例如，-25℃的導熱液，如果丙二醇型，密度是1.02；如果是丙三醇型，密度是1.08等物理現(xiàn)象就可以做個初步判斷。 　　在導熱液中，如果含有兩種以上防凍劑，叫做多元醇或混醇。其實，導熱液中只含有一種防凍劑時質(zhì)量最穩(wěn)定，也容易檢測，相關(guān)檢測標準中的物理特性指標只針對單一一種醇類。多元醇無論對導熱液或者防凍液來說，都是個偽命題，目的只有一個，隱瞞成本，以次充好，牟取暴利。 　　3. 添加劑 　　添加劑主要由緩蝕劑、緩沖劑、防垢劑、消泡劑和著色劑組成。添加劑也是導熱液的核心技術(shù)。導熱系統(tǒng)的管路及水泵主要是由金屬零件組成，主要金屬有：鑄鋁、鋼、鑄鐵、紫銅、黃銅、不銹鋼等。同種金屬內(nèi)部、不同金屬之間的接觸電位不同，在導熱液組成的電解液中會產(chǎn)生電化學腐蝕。同時醇類在高溫熱負荷運轉(zhuǎn)條件下會氧化，金屬元件也會促進醇類氧化生成甲酸，這種混合溶液更會加劇腐蝕。試驗表明，如不加添加劑，醇水混合溶液腐蝕速度比只使用水時還要快。因此，導熱液中一定要加入一定劑量的添加劑，工作液中一般不超過3%. 　　緩蝕劑主要分為兩大類，無機型和有機型。 　　無機型以磷酸鹽型和硅酸鹽型為主要代表。磷酸鹽和硅酸鹽都是鋁材質(zhì)的特效保護劑，與硼酸鹽、亞硝酸鹽、BTA等復配后對鋼、鑄鐵、銅、鋁、焊錫等金屬具有很好的保護作用，在汽車防凍液中被廣泛使用。但這些無機物因其毒性對人體和環(huán)境影響很大，而且使用壽命較短，所以在與人體接觸密切的太陽能導熱液中不應(yīng)使用。 　　有機羧酸型以脂肪酸為主要材料，由一元酸、二元酸、三元酸進行復配，對鋼、鑄鐵、銅、鋁、焊錫、不銹鋼等金屬同樣具有很好的保護作用，對人體和環(huán)境的影響相對于無機鹽大幅度降低，而且消耗速度緩慢，使用壽命遠遠高于無機鹽配方。無機鹽在加入導熱系統(tǒng)時，與導熱系統(tǒng)金屬表面反應(yīng)生成鈍化膜，由于發(fā)生反應(yīng)而消耗，濃度下降非常明顯，而有機羧酸在加入導熱系統(tǒng)后，并不與導熱系統(tǒng)金屬發(fā)生反應(yīng)，當導熱系統(tǒng)中金屬表面發(fā)生腐蝕、pH值降低，局部呈現(xiàn)微酸性環(huán)境時，有機羧酸就從導熱液中游離出來吸附在發(fā)生腐蝕的活性點處，防止腐蝕進一步發(fā)生。當腐蝕點處腐蝕被抑制，局部pH 值恢復到正常時，有機羧酸又重新變成離子溶入導熱液中。由于不需要成膜，所以消耗量很少，使用壽命就可以很長。同時通過試驗發(fā)現(xiàn)在無機鹽形成的鈍化膜層存在電容器充電現(xiàn)象，說明鈍化膜具有絕熱性，而有機羧酸不成膜，所以有機羧酸型導熱液的傳熱性能也優(yōu)于無機鹽導熱液。 　　1）緩沖劑 　　金屬腐蝕過程的本質(zhì)是電化學過程，不僅與導熱液中緩蝕劑有關(guān)，而且與導熱液的pH 值有關(guān)。金屬在酸性環(huán)境中容易腐蝕，在弱堿環(huán)境中容易得到保護。通常導熱液或防凍液的pH 值都控制在7.5 到11 之間，不同體系緩蝕劑配方pH 值也略有不同。由于在加熱使用過程中，醇類都會分解產(chǎn)生酸性物質(zhì)，使導熱液pH值降低，為了使導熱液在使用過程中維持一定的pH 值，防止酸化，通常在溶液中要加入緩沖劑，配成緩沖體系，使之具有一定緩沖能力。常用緩沖劑有磷酸鹽、硼酸鹽和各種有機酸。在太陽能導熱液中應(yīng)避免使用無機類緩沖劑，應(yīng)采用有機類緩沖劑。 　　2）防垢劑 　　導熱液在使用中，經(jīng)常會在金屬表面形成水垢，并使循環(huán)管路變窄，繼而影響導熱效果，因此導熱液中還應(yīng)該加入一定量的防垢劑，防止水垢生成或使已生成的水垢分散成細微顆粒懸浮在導熱液中，防止水垢沉積結(jié)垢。通常使用的防垢劑有配合型和分散型。不同緩蝕劑配方體系選用的防垢劑也不同。有機羧酸配方中應(yīng)選用有機酸作為分散劑。 　　3）消泡劑 　　導熱液在循環(huán)管路中高速循環(huán)以及水泵中高低壓轉(zhuǎn)換過程中，會產(chǎn)生大量氣泡，不但影響導熱效率，氣泡破裂也會產(chǎn)生氣穴腐蝕。為了降低氣泡產(chǎn)生的危害，導熱液中通常還要加入一定量的消泡劑。 　　4）著色劑 　　導熱液在使用過程中，還需加入一定量著色劑，使之有醒目顏色。這樣在導熱系統(tǒng)發(fā)生滲漏，導熱液進入水箱或其他水路管道時能及時發(fā)現(xiàn)，避免引起更大的危害。 　　綜上所述，太陽能導熱液應(yīng)選用丙二醇或丙三醇作為防凍基液，配以有機羧酸添加劑，才能最大限度地滿足優(yōu)質(zhì)、無毒、長壽命等特點，更好地服務(wù)于太陽能工程。