Hvilke varmeoverførselsvæsker bruges i Demax solvarmesystemer?

Kernemuligheder for varmeoverførselsvæsker til Demax solvarmesystemer

Vand: Bedst til lavtemperatur-, trykbelastede Demax-installationer

Til solvarmeanvendelser, der opererer under 100 grader Celsius, forbliver vand en af de mest økonomiske og effektive muligheder som varmeoverførselsvæske. Vands fordelagtige egenskaber skyldes dets relativt høje specifikke varmekapacitet (ca. 4,18 kJ pr. kg·K), samtidig med at det kræver minimal pumpeeffekt. Ved køling med et trykbeholderværdigt Demax-system er vand ideelt, da det ikke kan koge og er sikkert samt miljøvenligt. Dog fryser vand ved 0 grader Celsius, og som følge heraf kan disse systemer kun anvendes i frostfrie områder. Når systemer er udsat for risiko for frost på grund af vinterforhold, skal teknikere helt tømme vandet for at undgå beskadigelse. Ydelsesdata fra kontinentale middelhavslande viser, at ESTIF (European Solar Thermal Industry Federation) i 2023 bekræftede, at vandbaserede installationer opnåede en sæsonmæssig effektivitet på ca. 60 %.

Løsninger fokuseret på sikkerhed og frostbeskyttelse

Når det kommer til frostbeskyttelse, viser blanding af propylenglykol og vand stor fremtidssikkerhed. De fungerer fortsat ned til minus 30 grader Celsius og er mindre farlige end de andre tilgængelige muligheder, der bruger ethylenglykol og kan være farlige ved udledning. Disse blandinge forhindre også korrosion, når systemerne er bygget i henhold til de rigtige retningslinjer med rustfrit stål og bestemte andre plasttyper. Ulemperne er, at propylenglykol/vand-blandinger kan være 30–50 % mere viskøse end vand ved 20 grader Celsius, så pumperne skal arbejde betydeligt hårdere. Dog er de på grund af deres fremragende egenskaber ved lave temperaturer den foretrukne væske til varmeoverførsel i de fleste områder i Nordamerika og Nordeuropa. For nylig har producenter også opnået forbedringer ved at tilføje specifikke, eksklusive kemikalier til væskerne, hvilket reducerer væskens nedbrydningshastighed. Når væskerne testes i lukkede Demax-systemer i overensstemmelse med de gældende branchestandarder, estimeres levetiden for væskerne at være 5–7 år.

Termisk stabile silikonevæsker og luft: Specialiserede anvendelser i solvarmeanlæg uden tryk og ved forhøjede temperaturer

Silikonevæsker til varmeoverførsel er de eneste væsker, der forbliver driftsdygtige over længere tidsperioder i ikke-trykbehandlede åbne kredsløb i koncentrerede solvarmesystemer, der opererer ved forhøjede temperaturer mellem 200 og 400 °C. Silikonevæsker har også den nødvendige varmeoverførselskapacitet til brug i højtemperaturområdet i koncentrerede solvarmesystemer. Varmetransportvæsker anvendes dog ikke i systemer, hvor luft er det arbejdende medium. Luft i kombination med åbne kredsløb sikrer driftssikkerhed og let vedligeholdelse i ikke-trykbehandlede solvarmesystemer. Kombinationen af disse specialiserede væsker udgør – selvom de er optimerede – mindre end 15 procent af den globale samlede mængde solvarmeanlæg.

Det tal stammer fra den seneste markedsanalyse fra International Energy Agency’s SolarPACES-initiativ fra 2024.

Vigtige udvælgelseskriterier for solvarme-væsker til varmeoverførsel

Termisk stabilitet og modstand mod nedbrydning

Ved anvendelse af varmeoverførselsvæsker (HTF) i solvarmeanlæg forventes det, at de er kemisk stabile over en længere periode og skal kunne opretholde en temperatur nær 200 grader Celsius i længere tid (i nogle tilfælde endda i år). Når væsker er kemisk ustabile, har det negative konsekvenser for hele systemet, herunder en reduktion af den termiske ydelse. I nogle dokumenterede tilfælde har væsker oplevet en reduktion af den termiske ydelse på 22 % inden for en femårig periode. Dette skyldes ofte øget viskositet som følge af væskeoxidation og efterfølgende slamdannelse. Sådanne forhold medfører også øget vedligeholdelsesbehov og reduceret ydelse fra varmevekslerne. Selvom oxidationshæmmere kan mindske nogle af de ovennævnte problemer, er der behov for større fokus på væskens kompatibilitet med systemmaterialet over tid. Systemmaterialer såsom kobber og aluminium samt i nogle tilfælde gummi i ventiltætninger kan gennemgå en række kemiske reaktioner med væsken over tid. Især i trykbelastede Demax-systemer estimeres korrosionshastigheden at være ca. 30 % højere med stabile væsker sammenlignet med ustabile væsker.

Denne type slid og slitage forkorter ikke blot udstyrets levetid. Den øger også betydeligt vedligeholdelsesbudgetterne på lang sigt.

Valg af væske efter klimazoner på solvarmemarkedet i Nordamerika og Europa

Væskevalget skal strengt overholdes med hensyn til klimaets ekstremværdier i den region, hvor installationen foretages.

1. Norden og Central Europa: Der skal sikres beskyttelse ned til –30 °C. Til dette formål er en blanding af propylenglykol og vand i forholdet 50:50 den de facto standard for koldklima-Demax-installationer, da den opretholder over 85 % af vands varmeoverførselseffektivitet.

2. Middelhavet og det sydvestlige USA: Stagnationstemperaturer overstiger regelmæssigt 300 °C. Stagnationstemperaturer kræver derfor højtemperaturstabilitet kombineret med lav damptryk. I denne henseende overgår silikoner glykoler, da deres damptryk er 40 % lavere end glykoler ved maksimale driftstemperaturer, hvilket dermed reducerer hyppigheden af trykudligningsaktiveringer og dermed også væsketab.

3. Det nordøstlige USA som eksempel på et hybridklima: Der er behov for en dobbeltbeskyttelseskonstruktion. Den nyeste generation af kulbrinteskum har evnen til at forblive pumpebar under –25 °C og samtidig tåle termisk nedbrydning ved temperaturer op til 290 °C. Dette muliggør årlig driftssikkerhed uden at kompromittere effektiviteten.

Selvom deres anvendelse øger viskositeten med 12–15 %, hvilket fører til øget pumpeindsats og større pumpebor-diametre, er der en tydelig tendens mod anvendelse af mere termisk stabile væsker, selvom de stiller yderligere sikkerhedskrav.

Sammenligning af ydeevne i forhold til effektivitet, sikkerhed og systemkompatibilitet i solvarmeanvendelser

Termofysiske kompromiser i forhold til specifik varmekapacitet, viskositet og pumpeenergi overvejelser ved strømning i forbindelse med solvarmeudbyttet

Den samlede termiske ydeevne for hver væske blev analyseret i forhold til tre af væskens fysisk-kemiske egenskaber: væskens evne til at lagre termisk energi (specifik varmekapacitet), væskens tykkelse (viscositet) og væskens termiske nedbrydning (termisk stabilitet). Vand er en fremragende absorber af termisk energi (specifik varmekapacitet er ca. 4,18 kJ pr. kg pr. grad K). Problemer opstår dog ved anvendelsen af vand i disse systemer, fordi temperaturen kan falde under frysepunktet. I sådanne tilfælde er det nødvendigt at bruge glykolblandinger, selvom disse væsker er 30–50 % mere viskøse end vand. Den ekstra viskøse væskemodstand kræver, at pumperne udfører mere arbejde, hvilket normalt resulterer i en stigning i energiforbruget på 15–30 % i store industrielle systemer og dermed en reduktion af den nettoindsamlede solenergi. Selvom silikonevæsker ikke er lige så viskøse ved opvarmning, er deres specifikke varmekapacitet begrænset til et interval på 1,5–1,8 kJ. Derfor skal en operatør, der bruger silikonevæsker, sikre en væskestrøm, der er dobbelt så stor som den, der ville være nødvendig med vand. Dette væskemanagement øger behovet for større pumper, øger udgifterne til elektricitet og øger vedligeholdelsesbyrden.

Det er blevet bekræftet gennem reelle tests på parabolske trægtsolcentraler, at uoverensstemmende væsker og pumper kan reducere den termiske ydelse med 12–18 procent over tid. Betydeligt er det, at undermålsvæsker nedbrydes hurtigere og kan blive 50–80 procent mere viskøse allerede efter kun 5 år, hvilket påvirker strømmen. Derfor skal ingeniører i væsentlig grad vurdere enhver ny væske i forhold til alle komponenter i systemet, som den kommer i kontakt med – herunder udvidelsestanke, ventiler og især pladevarmevekslere med kobberlodning.

Ofte stillede spørgsmål

Hvad er den primære fordel ved at bruge vand som varmeoverførselsvæske i Demax-systemer?

Vand er mere effektivt til at transportere varme, fordi det har en højere specifik varmekapacitet end andre væsker. Dets anvendelse ved lave temperaturer i frostfrie områder samt dets lave pumpeenergitab gør det til en meget foretrukken væske.

Hvad er fordelene ved at bruge propylenglykol/vand-blandinger i kold klima?

Disse blandinger er tykkere end vand og sikrere end ethylenglykolbaserede muligheder. De er en foretrukken løsning i kolde regioner på grund af deres modstandsdygtighed over for lave temperaturer og øget viskositet, især i Nordamerika og Nordeuropa.

Hvad er de egenskaber ved silikonevæsker, der gør dem velegnede til anvendelse ved høje temperaturer?

Silikonevæsker har en bemærkelsesværdig termisk stabilitet, hvilket gør dem velegnede til anvendelse ved høje temperaturer, f.eks. i koncentrerede solvarmesystemer. Desuden har silikonevæsker lav damptryk, hvilket minimerer risikoen for aktivering af trykudligningsanordninger ved maksimale temperaturer.

Hvad er konsekvenserne af udvælgelseskriterierne for regionens klima, når der vælges en varmeoverførselsvæske?

For at maksimere systemets pålidelighed og effektivitet bør varmeoverførselsvæsker med frostsikring anvendes i kolde regioner, mens væsker med høj termisk stabilitet bør anvendes i varme regioner.