Mitä lämmönsiirtonesteitä käytetään Demaxin aurinkolämpöjärjestelmissä?

Lämmönsiirtonesteiden keskeiset vaihtoehdot Demaxin aurinkolämpöjärjestelmiin

Vesi: Parhaiten soveltuu alhaisen lämpötilan ja paineistettujen Demax-asennusten käyttöön

Auringonlämmön käyttösovelluksissa, jotka toimivat alle 100 asteen Celsius-asteikolla, vesi on edelleen yksi taloudellisimmista ja tehokkaimmista lämmönsiirtonesteistä. Veden edulliset ominaisuudet johtuvat sen suhteellisen korkeasta ominaislämpökapasiteetista (noin 4,18 kJ/kg·K), ja siihen tarvitaan vain vähän pumpun tehoa. Kun jäähdytys tapahtuu paineisella Demax-järjestelmällä, vesi on ihanteellinen vaihtoehto, koska se ei kiehu ja on turvallinen sekä ympäristöystävällinen. Kuitenkin vesi jäätyy nollan asteen Celsius-asteikolla, ja näin ollen nämä järjestelmät toimivat ainoastaan pakkasvapaissa alueissa. Kun järjestelmät ovat alttiita jäätymiselle talviaikaan, teknikoiden on tyhjennettävä vesi täysin vaurioiden välttämiseksi. Mantereellisten Välimeren alueiden kodeista saadut suorituskykytiedot osoittavat, että vuonna 2023 Euroopan auringonlämmön teollisuusliitto (ESTIF) todensi vedeen perustuvien järjestelmien saavuttaneen noin 60 %:n kausittaisen hyötysuhteen.

Ratkaisut, jotka keskittyvät turvallisuuteen ja jäätyminenestoon

Kun kyseessä on jäädytysuojaus, propyleeniglykolin ja veden seokset ovat lupaavia. Ne toimivat hyvin jopa miinus 30 asteikossa Celsius-asteikolla ja ovat vähemmän vaarallisia kuin muut saatavilla olevat vaihtoehdot, joissa käytetään etyleeniglykolia ja jotka voivat olla vaarallisimpia vuodettaessa. Nämä seokset estävät myös korroosiota, kun järjestelmät rakennetaan asianmukaisia ohjeita noudattaen käyttäen ruostumatonta terästä ja tiettyjä muita muoveja. Haittapuolena propyleeniglykolin ja veden seokset voivat olla 30–50 prosenttia viskoosimpia kuin vesi 20 asteikossa Celsius-asteikolla, joten pumput joutuvat tekemään huomattavasti enemmän työtä. Kuitenkin, koska ne kestävät alhaisia lämpötiloja erinomaisesti, niitä käytetään yleisimmin lämmönsiirtonesteinä Pohjois-Amerikassa ja Pohjois-Euroopassa. Viime aikoina valmistajat ovat saavuttaneet parannuksia lisäämällä nesteisiin tiettyjä omaa teknologiaa käyttäviä kemikaaleja, jotka vähentävät nesteiden hajoamisnopeutta. Kun nesteet testataan suljetussa Demax-järjestelmässä määrättyjen teollisuusstandardien mukaisesti, niiden arvioidaan kestävän 5–7 vuotta.

Lämmönlähtöisesti vakaita silikoni-nesteitä ja ilmaa: erityiskäyttö aurinkolämpösovelluksissa ilman painetta ja korkeissa lämpötiloissa

Lämmönvaihtosilikoni-nesteet ovat ainoat nesteet, jotka pysyvät toimintakunnossa pitkiä aikoja paineettomissa avoimissa kiertopiirijärjestelmissä käytetyissä keskitetyissä aurinkolämpöjärjestelmissä, jotka toimivat korkeissa lämpötiloissa välillä 200–400 °C. Silikoni-nesteillä on myös lämmönvaihtokyky, joka tekee niistä soveltuvia käytettäväksi korkealämpötilaisissa keskitetyissä aurinkolämpöjärjestelmissä. Lämmönvaihtonesteitä ei kuitenkaan käytetä järjestelmissä, joissa työaineena on ilma. Ilma yhdessä avoimien kiertopiirijärjestelmien kanssa tarjoaa toimintaluotettavuutta ja huollon helppoutta paineettomissa aurinkolämpöjärjestelmissä. Näiden erityisnesteiden yhdistelmä, vaikka se olisi optimoitu, muodostaa alle 15 prosenttia maailman kokonaismäisestä aurinkolämpöasennusten määrästä.

Tämä luku perustuu kansainvälisen energiaviraston (IEA) vuoden 2024 SolarPACES -aloitteen viimeisimpään markkina-analyysiin.

Avainvalintakriteerit aurinkolämpöön käytettäville lämmönsiirtonesteille

Lämmöllinen stabiilius ja hajoamisresistenssi

Lämmönsiirtonesteiden (HTF) käytössä aurinkolämmön sovelluksissa niiden odotetaan olevan kemiallisesti stabiileja pitkän aikaa, jolloin niiden on kestettävä jopa vuosia lämpötiloja, jotka ovat lähellä 200 astetta Celsius-astikolla. Kun nesteet ovat kemiallisesti epävakaaita, koko järjestelmään liittyy haitallisimpia vaikutuksia, mukaan lukien lämmön siirtotehokkuuden heikkeneminen. Joissakin dokumentoiduissa tapauksissa nesteiden lämmön siirtotehokkuus on heikentynyt 22 % viiden vuoden aikana. Tämä johtuu usein nesteiden hapettumisesta aiheutuvasta viskositeetin kasvusta ja sitä seuraavasta saostumien muodostumisesta. Tällaiset olosuhteet johtavat myös huoltotarpeen lisääntymiseen ja lämmönvaihtimen tehokkuuden heikkenemiseen. Vaikka hapettumisen estäjät voivat lieventää osaa edellä mainituista ongelmista, on kiinnitettävä enemmän huomiota nesteiden yhteensopivuuteen järjestelmän materiaalien kanssa ajan mittaan. Järjestelmän materiaalit, kuten kupari ja alumiini sekä joissakin venttiilitiukkuuksissa käytetty kumi, voivat ajan mittaan kokea erilaisia kemiallisia reaktioita nesteiden kanssa. Erityisesti painekäyttöisissä Demax-järjestelmissä arvioidaan, että korroosionopeus on noin 30 % suurempi stabiileilla nesteillä verrattuna epästabiileihin nesteisiin.

Tämäntyyppinen kulumisvaurio ei ainoastaan lyhennä laitteiston käyttöikää. Se lisää myös huomattavasti ylläpitobudjetteja pitkällä aikavälillä.

Liuoksen valinta ilmastovyöhykkeittäin aurinkolämmön markkinoilla Pohjois-Amerikassa ja Euroopassa

Liuoksen valinnassa on noudatettava tiukasti asennusalueen ilmastollisia ääriarvoja.

1. Pohjoismaat ja Keski-Eurooppa: Suojaa on tarjottava –30 °C:n lämpötilaan asti. Tähän tarkoitukseen propyleeniglykoolin ja veden seos suhteessa 50:50 on de facto -standardi kylmille ilmastovyöhykkeille tarkoitetuissa Demax-asennuksissa, koska se säilyttää yli 85 %:n verran veden lämmönsiirtohyötysuorituksesta.

2. Välimeren alue ja Yhdysvallojen etelä–länsiosat: pysähtymislämpötilat ylittävät säännöllisesti 300 °C:n. Pysähtymislämpötilat edellyttävät siksi korkean lämpötilan stabiilisuutta yhdistettynä alhaiseen höyrynpaineeseen. Tässä suhteessa silikonit ovat parempia kuin glykolit, sillä niiden höyrynpaine on huippukäyttölämpötiloissa 40 % alhaisempi kuin glykolien, mikä vähentää paineenvapautusmekanismien käynnistymisen taajuutta ja siten myös nesteen menetystä.

3. Yhdysvallojen koillisosat esimerkkinä hybridiklima-alueesta: On tarpeen käyttää kaksinkertaista suojausrakennetta. Uusimman sukupolven hiilivetyvaahtojen kyky pysyä pumpattavina alle –25 °C:n lämpötilassa ja kestää termistä hajoamista jopa 290 °C:n lämpötiloissa mahdollistaa turvallisen vuosittaisen käytön ilman tehon alenemista.

Vaikka niiden käyttö lisää viskositeettia 12–15 %:lla, mikä johtaa suurempaan pumppaustarpeeseen ja suurempiin pumppuputken halkaisijoihin, on havaittavissa suuntaus kohti lämpötilaltaan vakaita nesteitä, vaikka ne asettavatkin lisävaatimuksia turvallisuuden osalta.

Suorituskyvyn vertailu tehokkuuden, turvallisuuden ja järjestelmäyhteensopivuuden osalta aurinkolämmön sovelluksissa

Termofysikaaliset kompromissit erityisesti ominaislämpökapasiteetin, viskositeetin ja pumppausta vaativan energian sekä virtauksen suhteessa aurinkolämmön tuotantoon

Jokaisen nesteen kokonaistermiseen suorituskykyyn tehtiin analyysi kolmen sen fysikaalisen ja kemiallisen ominaisuuden suhteen: nesteräksen lämpöenergian varastointikyky (erikoislämpökapasiteetti), nesteräksen paksuus (viskositeetti) ja nesteräksen lämpöhajoaminen (lämpöstabiilius). Vesi on erinomainen lämpöenergian absorboija (erikoislämpökapasiteetti on noin 4,18 kJ/kg·K). Kuitenkin veden käytössä näissä järjestelmissä ilmenee ongelmia, koska lämpötilat voivat laskea jääpisteen alapuolelle. Näissä tapauksissa on välttämätöntä käyttää glykoliseoksia, vaikka nämä nesteet ovat 30–50 % viskoosimpia kuin vesi. Tämä lisätyllä viskositeetilla aiheutuva nestevastus vaatii pumppujen tekemään enemmän työtä, mikä johtaa yleensä 15–30 %:n energiankulutuksen kasvuun suurissa teollisuusjärjestelmissä ja vähentää kerättyä nettolämmönenergiaa. Vaikka silikoninesteet eivät ole yhtä viskoosisia kuumennettaessa, niiden erikoislämpökapasiteetti on rajoitettu 1,5–1,8 kJ:n alueelle. Siksi silikoninesteitä käyttävän käyttäjän on ohjattava noin kaksinkertainen nestevirtaus verrattuna siihen, mikä olisi tarpeen vedellä. Tämä nestehallinta lisää tarvetta suuremmille pumppuille, lisää sähkökustannuksia ja lisää huoltotarvetta.

Todellisen maailman testauksessa parabolisen kaarevan aurinkovoimalaitoksen yhteydessä on vahvistettu, että epäyhteensopivat nesteet ja pumput voivat vähentää lämmöntuottoa 12–18 prosenttia ajan myötä. Merkittävästi ala-asteikkoiset nesteet hajoavat nopeammin ja voivat tulla 50–80 prosenttia viskoosimmiksi jo viiden vuoden kuluttua, mikä vaikuttaa virtaukseen. Siksi insinöörien on käytännössä arvioitava jokainen uusi neste kaikkien sen kanssa kosketuksiin tulevien järjestelmän komponenttien kanssa, mukaan lukien laajentumissäiliöt, venttiilit ja erityisesti kiinnitettyjen levyjen lämmönvaihtimet.

Usein kysytyt kysymykset

Mikä on veden käytön ensisijainen etu Demax-järjestelmissä?

Vesi siirtää lämpöä tehokkaammin, koska sen ominaislämpökapasiteetti on korkeampi kuin muiden nesteiden. Sen käyttö alhaisissa lämpötiloissa jäädytysvapaissa alueissa ja sen alhaiset pumpun energiahäviöt tekevät siitä erinomaisen suositun lämmönsiirtonesteen.

Mitkä ovat propyleeniglykoolin ja veden seosten käytön edut kylmissä ilmastovyöhykkeissä?

Nämä seokset ovat viskoosimpia kuin vesi ja turvallisempia kuin etyleeniglykoolipohjaiset vaihtoehdot. Ne ovat suositeltava vaihtoehto kylmissä alueissa niiden alhaisen lämpötilan kestävyyden ja kasvanut viskositeetin vuoksi, erityisesti Pohjois-Amerikassa ja Pohjois-Euroopassa.

Mitkä ovat piilisuolojen ominaisuudet, jotka mahdollistavat niiden käytön korkealämpötilasovelluksissa?

Piilisuolat omaavat merkittävää lämpövakausta, mikä mahdollistaa niiden käytön korkealämpötilasovelluksissa, kuten keskitetyissä aurinkolämpöjärjestelmissä. Lisäksi piilisuolat ovat alhaisen höyrynpaineen omaavia, mikä vähentää paineenvapautusmekanismien aktivoitumisen mahdollisuutta huippulämpötiloissa.

Mitkä ovat valintakriteerien vaikutukset alueen ilmastoon lämmönsiirtonesteen valinnassa?

Järjestelmän luotettavuuden ja tehokkuuden maksimoimiseksi jääsuojaukseen tarkoitetut lämmönsiirtonesteet tulisi käyttää kylmissä alueissa, kun taas korkean lämpövakauden omaavat nesteet tulisi käyttää kuumissa alueissa.