Ποια υγρά μεταφοράς θερμότητας χρησιμοποιούνται στα ηλιακά θερμικά συστήματα Demax;

Βασικές επιλογές υγρών μεταφοράς θερμότητας για ηλιακά θερμικά συστήματα Demax

Νερό: Καλύτερο για εγκαταστάσεις Demax χαμηλής θερμοκρασίας και υπό πίεση

Για εφαρμογές ηλιακής θερμικής ενέργειας που λειτουργούν σε θερμοκρασίες κάτω των 100 βαθμών Κελσίου, το νερό παραμένει μία από τις πιο οικονομικές και αποτελεσματικές διαθέσιμες επιλογές ως υγρό μεταφοράς θερμότητας. Οι πλεονεκτικές ιδιότητες του νερού οφείλονται στη σχετικά υψηλή ειδική θερμοχωρητικότητά του (περίπου 4,18 kJ ανά kg·K), ενώ απαιτεί ελάχιστη ισχύ αντλίασης. Όταν χρησιμοποιείται για ψύξη με πιεστικό σύστημα Demax, το νερό είναι ιδανικό, καθώς δεν βράζει, είναι ασφαλές και φιλικό προς το περιβάλλον. Ωστόσο, το νερό παγώνει στους 0 βαθμούς Κελσίου, και ως εκ τούτου, αυτά τα συστήματα λειτουργούν μόνο σε περιοχές χωρίς παγετό. Όταν τα συστήματα κινδυνεύουν να παγώσουν λόγω χειμωνιάτικων συνθηκών, οι τεχνικοί πρέπει να αδειάσουν πλήρως το νερό για να αποφύγουν ζημιές. Στοιχεία απόδοσης από κατοικίες στην ηπειρωτική μεσογειακή περιοχή δείχνουν ότι το 2023 η ESTIF (Ευρωπαϊκή Ομοσπονδία Βιομηχανίας Ηλιακής Θερμικής Ενέργειας) απέδειξε ότι οι εγκαταστάσεις με βάση το νερό επέτυχαν περίπου 60% ετήσια απόδοση.

Λύσεις Εστιασμένες στην Ασφάλεια και την Προστασία από τον Παγετό

Όσον αφορά την προστασία από κατάψυξη, οι μείξεις προπυλενογλυκόλης και νερού εμφανίζουν μεγάλη ελπίδα. Συνεχίζουν να λειτουργούν έως και σε θερμοκρασίες -30 βαθμών Κελσίου και είναι λιγότερο επικίνδυνες σε σύγκριση με τις άλλες διαθέσιμες εναλλακτικές λύσεις που χρησιμοποιούν αιθυλενογλυκόλη και μπορούν να αποτελέσουν κίνδυνο σε περίπτωση διαρροής. Αυτές οι μείξεις εμποδίζουν επίσης τη διάβρωση, όταν τα συστήματα κατασκευάζονται σύμφωνα με τις κατάλληλες οδηγίες, χρησιμοποιώντας ανοξείδωτο χάλυβα και ορισμένα άλλα πλαστικά. Ωστόσο, οι μείξεις προπυλενογλυκόλης/νερού μπορεί να είναι 30 έως 50 τοις εκατό πιο ιξώδεις από το νερό στους 20 βαθμούς Κελσίου, γεγονός που σημαίνει ότι οι αντλίες πρέπει να καταβάλλουν πολύ μεγαλύτερη προσπάθεια. Παρόλα αυτά, επειδή αντέχουν εξαιρετικά καλά τις χαμηλές θερμοκρασίες, αποτελούν το προτιμώμενο ρευστό μεταφοράς θερμότητας για την πλειοψηφία των περιοχών της Βόρειας Αμερικής και της Βόρειας Ευρώπης. Πρόσφατα, οι κατασκευαστές έχουν επιτύχει επίσης βελτίωση προσθέτοντας συγκεκριμένα εμπορικά μυστικά χημικά στα ρευστά, τα οποία μειώνουν το ρυθμό αποδόμησης των ρευστών. Όταν τα ρευστά δοκιμάζονται σε κλειστά κυκλώματα συστημάτων Demax σύμφωνα με τα καθορισμένα πρότυπα της βιομηχανίας, εκτιμάται ότι η διάρκεια ζωής τους φτάνει τα 5–7 χρόνια.

Θερμικά Σταθερά Υγρά Σιλικόνης και Αέρας: Ειδικές Εφαρμογές σε Ηλιακά Θερμικά Συστήματα Χωρίς Πίεση και σε Υψηλές Θερμοκρασίες

Τα υγρά μεταφοράς θερμότητας βάσει σιλικόνης είναι τα μοναδικά υγρά που παραμένουν λειτουργικά για εκτεταμένες χρονικές περιόδους σε μη πιεστικά, ανοιχτού κύκλου, εστιασμένα ηλιακά θερμικά συστήματα που λειτουργούν σε υψηλές θερμοκρασίες μεταξύ 200 και 400 °C. Τα υγρά σιλικόνης διαθέτουν επίσης την απαραίτητη ικανότητα μεταφοράς θερμότητας για χρήση στο υψηλό εύρος θερμοκρασιών των εστιασμένων ηλιακών θερμικών συστημάτων. Ωστόσο, τα υγρά μεταφοράς θερμότητας δεν χρησιμοποιούνται σε συστήματα όπου ο αέρας αποτελεί το εργαζόμενο ρευστό. Ο αέρας, σε συνδυασμό με συστήματα ανοιχτού κύκλου, παρέχει αξιοπιστία λειτουργίας και ευκολία συντήρησης στα μη πιεστικά ηλιακά θερμικά συστήματα. Ο συνδυασμός αυτών των ειδικών ρευστών, ακόμη και εάν είναι βελτιστοποιημένος, αντιπροσωπεύει λιγότερο από το 15% του παγκόσμιου συνόλου των εγκαταστάσεων ηλιακής θερμικής ενέργειας.

Αυτός ο αριθμός προέρχεται από την πιο πρόσφατη ανάλυση της αγοράς του Διεθνούς Οργανισμού Ενέργειας (IEA) στο πλαίσιο της πρωτοβουλίας SolarPACES 2024.

Κύρια Κριτήρια Επιλογής για Υγρά Μεταφοράς Θερμότητας Ηλιακής Θερμικής Ενέργειας

Θερμική σταθερότητα και αντίσταση στην αποδόμηση

Με τα υγρά μεταφοράς θερμότητας (HTFs) σε εφαρμογές ηλιακής θερμικής ενέργειας, αναμένεται να παρουσιάζουν χημική σταθερότητα επί μακρόν, καθώς σε ορισμένες περιπτώσεις πρέπει να λειτουργούν σε θερμοκρασίες κοντά στους 200 βαθμούς Κελσίου για εκτεταμένες χρονικές περιόδους (ακόμη και για χρόνια). Όταν τα υγρά είναι χημικά ασταθή, προκύπτουν αρνητικές επιπτώσεις για ολόκληρο το σύστημα, συμπεριλαμβανομένης της μείωσης της θερμικής απόδοσης. Σε ορισμένες καταγεγραμμένες περιπτώσεις, τα υγρά έχουν υποστεί μείωση της θερμικής απόδοσης κατά 22% σε πενταετή περίοδο. Αυτό οφείλεται συχνά στην αύξηση της ιξώδους λόγω οξείδωσης του υγρού και της επακόλουθης δημιουργίας ιζημάτων. Τέτοιες συνθήκες οδηγούν επίσης σε αυξημένη συντήρηση και μειωμένη απόδοση των ανταλλακτών θερμότητας. Παρόλο που οι αντιοξειδωτικοί παράγοντες μπορούν να μειώσουν ορισμένα από τα προαναφερθέντα προβλήματα, απαιτείται μεγαλύτερη έμφαση στη συμβατότητα των υγρών με τα υλικά του συστήματος με την πάροδο του χρόνου. Υλικά του συστήματος, όπως το χαλκός και το αλουμίνιο, καθώς και το καουτσούκ σε ορισμένα στοιχεία σφράγισης βαλβίδων, μπορούν να υφίστανται διάφορες χημικές αντιδράσεις με το υγρό με την πάροδο του χρόνου. Ιδιαίτερα, στα υπό πίεση συστήματα Demax, εκτιμάται ότι ο ρυθμός διάβρωσης είναι περίπου 30% υψηλότερος με υγρά που είναι σταθερά σε σύγκριση με υγρά που είναι ασταθή.

Αυτός ο τύπος φθοράς δεν μειώνει απλώς τη διάρκεια ζωής του εξοπλισμού. Αυξάνει επίσης σημαντικά τους προϋπολογισμούς συντήρησης σε μακροπρόθεσμη βάση.

Επιλογή υγρού κατά μήκος των κλιματικών ζωνών στην αγορά ηλιακής θερμικής ενέργειας στη Βόρεια Αμερική και την Ευρώπη

Η επιλογή του υγρού πρέπει να τηρείται αυστηρά, λαμβάνοντας υπόψη τα ακραία κλιματικά φαινόμενα της περιοχής εγκατάστασης.

1. Βόρεια Ευρώπη και Κεντρική Ευρώπη: Πρέπει να παρέχεται προστασία έως –30°C. Για τον σκοπό αυτό, ένα μείγμα προπυλενογλυκόλης και νερού σε αναλογία 50:50 αποτελεί το αποδεκτό πρότυπο για εγκαταστάσεις Demax σε ψυχρά κλίματα, καθώς διατηρεί πάνω από το 85% της απόδοσης μεταφοράς θερμότητας του νερού.

2. Η Μεσόγειος και οι Νοτιοδυτικές Ηνωμένες Πολιτείες: Οι θερμοκρασίες στάσης υπερβαίνουν τακτικά τους 300°C. Οι θερμοκρασίες στάσης, επομένως, απαιτούν υψηλή θερμική σταθερότητα σε συνδυασμό με χαμηλή τάση ατμών. Σε αυτό το πλαίσιο, τα πυριτικά ενώσεις υπερτερούν των γλυκολών, καθώς η τάση ατμών τους είναι 40% χαμηλότερη από αυτήν των γλυκολών στις μέγιστες θερμοκρασίες λειτουργίας, με αποτέλεσμα να μειώνεται η συχνότητα ενεργοποίησης των βαλβίδων ασφαλείας και, κατ’ επέκταση, η απώλεια υγρού.

3. Οι Βορειοανατολικές Ηνωμένες Πολιτείες ως παράδειγμα υβριδικού κλίματος: Απαιτείται σχεδιασμός διπλής προστασίας. Η τελευταία γενιά αφρών υδρογονανθράκων έχει τη δυνατότητα να παραμένει αντλήσιμη σε θερμοκρασίες κάτω των –25°C και να αντέχει θερμική αποδόμηση σε θερμοκρασίες μέχρι και 290°C. Αυτό επιτρέπει ασφαλή λειτουργία ετησίως χωρίς να θιγεί η απόδοση.

Παρόλο που η χρήση τους αυξάνει την ιξώδες κατά 12–15%, γεγονός που οδηγεί σε αυξημένη προσπάθεια αντλητικής λειτουργίας και μεγαλύτερες διαμέτρους εμβόλων αντλιών, παρατηρείται μια τάση προς τη χρήση υγρών με υψηλότερη θερμική σταθερότητα, παρά τους επιπρόσθετους περιορισμούς ασφαλείας που επιβάλλουν.

Σύγκριση της απόδοσης όσον αφορά την αποδοτικότητα, την ασφάλεια και τη συμβατότητα με το σύστημα σε εφαρμογές ηλιακής θερμικής ενέργειας

Θερμοφυσικοί συμβιβασμοί σχετικά με την ειδική θερμότητα, το ιξώδες και την ενέργεια αντλητικής λειτουργίας, καθώς και η επίδραση της ροής στην ηλιακή θερμική απόδοση

Η συνολική θερμική απόδοση κάθε ρευστού αναλύθηκε σε σχέση με τρεις φυσικοχημικές ιδιότητες του ρευστού: την ικανότητα αποθήκευσης θερμικής ενέργειας (ειδική θερμότητα), το πάχος του ρευστού (ιξώδες) και τη θερμική αποδόμηση του ρευστού (θερμική σταθερότητα). Το νερό είναι εξαιρετικός απορροφητής θερμικής ενέργειας (η ειδική θερμότητα είναι περίπου 4,18 kJ ανά kg ανά βαθμό K). Ωστόσο, προκύπτουν προβλήματα κατά τη χρήση νερού σε αυτά τα συστήματα, διότι οι θερμοκρασίες μπορούν να πέσουν κάτω από το σημείο πήξης. Σε αυτές τις περιπτώσεις, είναι αναγκαία η χρήση μειγμάτων γλυκόλης, αν και αυτά τα ρευστά έχουν ιξώδες 30 έως 50 % υψηλότερο από το νερό. Η επιπλέον αντίσταση λόγω του αυξημένου ιξώδους απαιτεί από τις αντλίες να παράγουν περισσότερο έργο, με αποτέλεσμα συνήθως αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας κατά 15 έως 30 % σε μεγάλα βιομηχανικά συστήματα, μειώνοντας έτσι την καθαρή συλλεγόμενη ηλιακή ενέργεια. Αν και τα πυριτικά ρευστά δεν είναι τόσο ιξώδη όταν θερμαίνονται, η ειδική τους θερμότητα περιορίζεται σε εύρος 1,5 έως 1,8 kJ. Επομένως, ένας χειριστής που χρησιμοποιεί πυριτικά ρευστά θα χρειαζόταν να διασφαλίσει ροή διπλάσιας ποσότητας ρευστού σε σύγκριση με την περίπτωση χρήσης νερού. Αυτή η διαχείριση ρευστού αυξάνει την ανάγκη για μεγαλύτερες αντλίες, αυξάνει τα έξοδα που σχετίζονται με την ηλεκτρική ενέργεια και αυξάνει το βάρος της συντήρησης.

Έχει επιβεβαιωθεί μέσω πραγματικών δοκιμών σε εγκαταστάσεις ηλιακής ενέργειας με παραβολικά αυλάκια ότι η αντιστοιχία μεταξύ υγρών και αντλιών μπορεί να μειώσει τη θερμική απόδοση κατά 12–18 % με την πάροδο του χρόνου. Σημαντικότερο είναι ότι υποβαθμισμένα υγρά αποδιασπώνται ταχύτερα και μπορούν να γίνουν 50–80 % πιο ιξώδη μετά μόνο 5 χρόνια, γεγονός που επηρεάζει τη ροή. Ως εκ τούτου, οι μηχανικοί πρέπει ουσιαστικά να αξιολογούν κάθε νέο υγρό με κάθε συστατικό του συστήματος με το οποίο θα έρθει σε επαφή, συμπεριλαμβανομένων των δεξαμενών διαστολής, των βαλβίδων και, ειδικότερα, των εναλλακτών θερμότητας με πλάκες συγκολλημένες με κράμα.

Συχνές Ερωτήσεις

Ποιό είναι το κύριο πλεονέκτημα της χρήσης νερού ως ρευστού μεταφοράς θερμότητας στα συστήματα Demax;

Το νερό είναι αποτελεσματικότερο στη μεταφορά θερμότητας, διότι έχει υψηλότερη ειδική θερμοχωρητικότητα από άλλα ρευστά. Οι εφαρμογές του σε χαμηλές θερμοκρασίες σε περιοχές χωρίς παγετό και οι χαμηλές απώλειες ενέργειας λόγω προστιθέμενης πίεσης το καθιστούν εξαιρετικά προτιμώμενο ρευστό.

Ποιά είναι τα πλεονεκτήματα της χρήσης μειγμάτων προπυλενογλυκόλης/νερού σε κρύες κλιματικές συνθήκες;

Αυτά τα μείγματα είναι πιο παχύρρευστα από το νερό και είναι ασφαλέστερα από τις επιλογές με αιθυλενογλυκόλη. Αποτελούν την προτιμώμενη επιλογή σε ψυχρές περιοχές λόγω της αντοχής τους σε χαμηλές θερμοκρασίες και της αυξημένης ιξώδους, ειδικά στη Βόρεια Αμερική και τη Βόρεια Ευρώπη.

Ποια είναι τα χαρακτηριστικά των πυριτικών υγρών που τους επιτρέπουν να χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας;

Τα πυριτικά υγρά διαθέτουν εξαιρετική θερμική σταθερότητα, γεγονός που τους επιτρέπει να χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές υψηλής θερμοκρασίας, όπως στα συστήματα συγκεντρωτικής ηλιακής θερμικής ενέργειας. Επιπλέον, τα πυριτικά υγρά έχουν χαμηλές τάσεις ατμών, γεγονός που ελαχιστοποιεί τις πιθανότητες ενεργοποίησης της βαλβίδας ασφαλείας λόγω πίεσης στις μέγιστες θερμοκρασίες.

Ποιες είναι οι επιπτώσεις των κριτηρίων επιλογής στο κλίμα της περιοχής κατά την επιλογή ενός υγρού μεταφοράς θερμότητας;

Για να μεγιστοποιηθούν η αξιοπιστία και η απόδοση του συστήματος, τα υγρά μεταφοράς θερμότητας με προστασία από παγετό πρέπει να χρησιμοποιούνται σε ψυχρές περιοχές, ενώ τα υγρά με υψηλή θερμική σταθερότητα πρέπει να χρησιμοποιούνται σε ζεστές περιοχές.