Кои течности за пренос на топлина се користат во соларните термални системи Demax?

Основни опции за течности за пренос на топлина за соларните термални системи Demax

Вода: Најдобра за ниско-температурни, под притисок инсталации Demax

За соларни топлински примени кои работат под 100 степени Целзиус, водата останува една од најекономичните и најефикасните опции како течност за пренос на топлина. Предностите на водата произлегуваат од нејзиниот релативно висок специфичен топлински капацитет (приближно 4,18 kJ по kg K), додека за нејзиното помпување е потребна мала количина енергија. Кога се врши ладење со притисната Демакс-систем, водата е идеална бидејќи не може да заври, а исто така е безбедна и пријателска кон животната средина. Меѓутоа, водата замрзнува на 0 степени Целзиус, па затоа овие системи функционираат само во региони каде што нема замрзнување. Кога постои ризик од замрзнување на системите поради зимските услови, техничарите мора да ги испразнат целосно од вода за да се избегне штета. Податоците за перформансите од континенталните средоземни домови покажуваат дека во 2023 година ЕСТИФ (Европската федерација на индустријата за соларна топлина) докажала дека системите засновани на вода постигнале околу 60% сезонска ефикасност.

Решенија фокусирани врз безбедност и заштита од замрзнување

Кога станува збор за замрзнување заштита, мешавините од пропилен гликол и вода покажуваат голем потенцијал. Тие продолжуваат да работат до минус 30 степени Целзиус и се помалку опасни од другите достапни опции кои користат етилен гликол и можат да бидат опасни при цурење. Овие мешавини исто така спречуваат корозија кога системите се изградени според соодветните насоки со нерѓосувачки челик и некои други пластика. Од негативна страна, мешавините од пропилен гликол/вода можат да бидат 30 до 50 проценти погуста од водата на 20 степени Целзиус, па затоа пумпите мора да работат значително потежно. Сепак, бидејќи тие одлично функционираат на ниски температури, тие се главната течност за пренос на топлина за повеќето локации во Северна Америка и Северна Европа. Скорошните производители исто така постигнаа подобрување со додавање на специфични сопствени хемиски соединенија во течностите, што ја намалува брзината на распаѓање на течностите. Кога течностите се тестираат во затворени Demax-системи според пропишаните индустријски стандарди, се проценува дека траат 5–7 години.

Термално стабилни силиконски течности и воздух: Специјализирани примени во соларни термални апликации без притисок и на високи температури

Силиконските течности за пренос на топлина се единствените течности кои остануваат функционални во проширени временски периоди во непретиснатите отворени циклуси на концентрирани соларни термални системи кои работат на високи температури помеѓу 200 и 400 °C. Силиконските течности исто така поседуваат способност за пренос на топлина неопходна за употреба во високотемпературниот опсег на концентрираните соларни термални системи. Сепак, течностите за пренос на топлина не се користат во системи каде што работниот флуид е воздух. Воздухот, во комбинација со отворените циклуси, обезбедува оперативна сигурност и леснотија при одржувањето во непретиснатите соларни термални системи. Комбинацијата на овие специјализирани течности, дури и кога е оптимизирана, составува помалку од 15 проценти од вкупниот број на светските инсталации на соларни термални системи.

Тој број потекнува од најновата анализа на пазарот од Меѓународната агенција за енергија, иницијативата SolarPACES 2024.

Клучеви критериуми за избор на течности за пренос на топлина во соларни термални системи

Термичка стабилност и отпорност на деградација

Со течности за пренос на топлина (HTF) во соларни термални примени, се очекува да бидат хемиски стабилни во долготрајен временски период, при што треба да бидат во близина на 200 степени Целзиусу во продолжен временски период (даже години) во некои случаи. Кога течностите се хемиски нестабилни, тоа има негативни последици за целиот систем, вклучувајќи намалување на термалната перформанса. Во некои документирани случаи, течностите претрпеле намалување на термалната перформанса од 22% во временски период од пет години. Ова често е предизвикано од зголемена вискозитет поради оксидација на течноста и последователно формирање на муљ. Таквите услови исто така резултираат со зголемени одржувачки трошоци и намалена перформанса на топлинските разменувачи. Иако инхибиторите на оксидација можат да намалат некои од гореспоменатите проблеми, потребен е поголем фокус врз компатибилноста на течноста со материјалите на системот со текот на времето. Материјали на системот како што се бакар и алуминиум, а дури и гумените делови во некои вентилски запчасти, со текот на времето можат да доживеат различни хемиски реакции со течноста. Посебно кај притиснатите Демакс системи, проценето е дека стапката на корозија е приближно 30% повисока со течности кои се стабилни во споредба со течностите кои се нестабилни.

Овој тип на износување и стариња не само што го скратува животниот век на опремата, туку и значително ги зголемува буџетите за одржување во подолг временски период.

Избор на течности според климатските зони на пазарот за соларна топлина во Северна Америка и Европа

Изборот на течности мора строго да се почитува во однос на климатските екстреми во регионот каде што се врши инсталацијата.

1. Скандинавија и Централна Европа: Мора да се обезбеди заштита до –30°C. За оваа цел, мешавина од пропилен гликол и вода во сооднос 50:50 е де-факто стандард за употреба на Демакс (Demax) во студени клими, бидејќи задржува повеќе од 85% од ефикасноста на пренос на топлина на водата.

2. Средоземноморскиот регион и југозападниот дел на Соединетите Американски Држави: Температурите во состојба на застој редовно надминуваат 300°C. Затоа, температурите во состојба на застој барaat висока термичка стабилност комбинирана со нискиот парен притисок. Во овој поглед, силиконите надминуваат гликолите, бидејќи нивниот парен притисок е за 40% понизок од парниот притисок на гликолите на максималните работни температури, што го намалува честотата на активирање на вентилите за отпуштање на притисокот и, со тоа, губитокот на течност.

3. Североисточниот дел на Соединетите Американски Држави како пример за хибридна клима: Неопходно е да се има дизајн со двојна заштита. Најновата генерација на хидроуглеводородни пенки има способност да останат пумпабилни под –25°C и да ги отпоруваат термичките деградации на температури до 290°C. Ова овозможува безбедна годишна експлоатација без компромис со ефикасноста.

Иако нивната употреба ја зголемува вискозитетот за 12–15%, што води до зголемен напор за помпување и поголеми пречници на цилиндарите на помпата, се забележува тенденција кон користење на течности со поголема термичка стабилност, и покрај дополнителните ограничувања за безбедност кои ги наметнуваат.

Споредба на перформансите во однос на ефикасност, безбедност и совместливост со системот во соларни термални примени

Термофизички компромиси во врска со специфичниот топлински капацитет, вискозитетот и енергијата за помпување при протокот, во однос на соларниот термален принос

Вкупната топлинска перформанса на секоја течност беше анализирана во однос на три физикохемиски карактеристики на течноста: способноста на течноста за складирање на топлинска енергија (специфична топлина), дебелината на течноста (вискозитет) и топлинското распаѓање на течноста (топлинска стабилност). Водата е одличен апсорбер на топлинска енергија (специфичната топлина изнесува приближно 4,18 kJ по kg по степен К). Меѓутоа, со употребата на вода во овие системи настануваат проблеми бидејќи температурите можат да паднат под точката на замрзнување. Во такви случаи, неопходна е употребата на гликолни смеси, иако тие течности се за 30 до 50 % повискоznи од водата. Ова дополнителна вискозна отпорност на течноста бара помпи да вршат повеќе работа, што обично резултира со зголемување на потрошувачката на енергија за 15 до 30 % во големите индустријални системи, со што се намалува нето количината собрана соларна енергија. Иако силиконските течности не се толку вискоzни кога се загреваат, нивната специфична топлина е ограничена на опсег од 1,5 до 1,8 kJ. Затоа, операторот кој користи силиконски течности треба да осигура двојно поголем проток на течност отколку што би бил потребен со вода. Ова управување со течноста зголемува потребата од поголеми помпи, зголемува трошоците поврзани со електричната енергија и зголемува товарот за одржување.

Преку реални тестирања на сончеви електрани со параболични жлебови е потврдено дека несоодветните течности и пумпи можат да намалат топлинската производителност за 12–18 проценти со текот на времето. Значајно е дека неподобните течности се распаѓаат побрзо и можат да станат 50–80 проценти повискоцозни веќе по 5 години, што влијае врз струењето. Следствено, инженерите мораат да ги проценуваат новите течности во интеракција со секој компонент на системот со кој ќе дојдат во контакт, вклучувајќи резервоари за проширување, вентили и особено леаните плочести топлински разменувачи.

Често поставувани прашања

Кој е главниот предност на користењето на вода како течност за пренос на топлина во системите Демакс?

Водата е поефикасна во пренесувањето на топлина бидејќи има поголема специфична топлинска способност од другите течности. Нејзината примена при ниски температури во региони без замрзнување и ниските губитоци на енергија при циркулација ја прават извонредно препорачлива течност.

Кои се предностите од користењето на смеси од пропилен гликол и вода во студени клими?

Овие мешавини се по-густi од водата и се посигурни од опциите со етилен гликол. Тие се претпочитана опција во студените региони поради нивната отпорност на ниски температури и зголемена вискозност, особено во Северна Америка и Северна Европа.

Кои се карактеристиките на силиконските течности кои им овозможуваат употреба во примени со висока температура?

Силиконските течности поседуваат извонредна термичка стабилност, што им овозможува употреба во примени со висока температура, како на пример во концентрираните соларни термални системи. Понатаму, силиконските течности имаат ниски парни притисоци, што ги минимизира можностите за активирање на вентилите за релаксација на притисокот при максималните температури.

Какви се последиците од критериумите за избор врз климата на регионот при избор на течност за пренос на топлина?

За да се максимизира доверливоста и ефикасноста на системот, во студените региони треба да се користат течности за пренос на топлина со заштита од замрзнување, додека во топлите региони треба да се користат течности со висока термичка стабилност.