壁挂式太阳能导热介质性能浅析

0前言 　　近年来随着世界能源价格不断上涨和环保意识增强，面对严峻的节能减排形势，我国正在大力发展和利用可再生能源，太阳能热水器与建筑相结合是一个极为重要方向。结合我国实际情况，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，带动壁挂式太阳能热水器的蓬勃发展。 　　据上所述，相关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，甚至将汽车防冻液加注到系统中，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家标准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 　　出于对环境保护和人身安全的考虑，对环境友好这一特性是对导热介质的最基本要求，包括两方面的要求：1.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富氧化；2.产品必须安全无毒，作为与人们日常生活密切相关的产品，万一泄漏不能危害人身安全，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且能降低水冰点物质，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，缺点：冰点降低有限，腐蚀性，不适于在太阳能系统使用。有机醇类包括甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇、甘油和其他低碳多元醇，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较差；甘油作为抗冻剂时浓度高、粘度大、泡沫多等缺点限制了其应用，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广泛应运于欧美等发达国家采暖、制冷、空调等。 　　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，科学冰点测定方法如下：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，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，不可能像汽车防冻一两年内更换，必须做到8a-10a内不会变质和各种性能衰减的现象，亦即产品具备长效性。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闭式循环系统金属材质为碳钢和黄铜，因此，导热介质应针对这两种金属长效缓蚀，不能像汽车防冻液那样针对多种金属进行全面短效缓蚀，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：将平板太阳能热水器闭式循环系统中常用的两种金属黄铜片和碳钢片（25cm×5cm）浸泡在导热介质中，在88℃下不断通空气336h，试验结束后，测定试片重量变化，观察试片及导热介质的外观变化，质量损失≤10mg/片。 　　5阻垢性能 　　导热介质在长期运行过程中必不能产生污垢，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，水垢常含有Ca2+、Mg2+的CaCO3、MgCO3、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从两方面入手：1. 配制溶液时使用去离子水，降低Ca2+、Mg 2+ 在水中的含量，其硬度控制在15ppm 以下，同时控制水的电导率（减少水中电解质的含量）；2.添加适宜的阻垢剂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，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＜7，否则，不但没有缓蚀效果，溶液本身对金属发生腐蚀；pH值在7-8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，缓蚀效果低；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）。 　　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、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： 　　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、碱、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方法，在溶液配制时要选择适宜助剂起到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℃（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30s内上下剧烈摇动100次，再使量筒静止10s后，在量筒上读取泡沫所占容积，泡沫体积＜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热稳定性，这包括三方面内容：1.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；2. 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；3. 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，经多年实验证明乙二醇、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热传导率的整体效果随着温度升高而上升，只不过上升幅度很小。 　　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。（济南鼎隆化工科技有限公司田胜军、东力诺瑞特新能源有限公司马保林、山东小鸭新能源有限公司王刚）