Jakie płyny do wymiany ciepła są stosowane w systemach solarnej energii cieplnej Demax?

Główne opcje płynów do wymiany ciepła dla systemów solarnej energii cieplnej Demax

Woda: Najlepsza dla niskotemperaturowych, nadciśnieniowych instalacji Demax

W zastosowaniach solarnej energii cieplnej działających poniżej 100 stopni Celsjusza woda pozostaje jednym z najtańszych i najbardziej wydajnych dostępnych płynów do przekazywania ciepła. Korzystne właściwości wody wynikają z jej stosunkowo wysokiej pojemności cieplnej właściwej (około 4,18 kJ na kg·K), przy jednoczesnie niskim zapotrzebowaniu na moc pompowania. W przypadku chłodzenia za pomocą naczynia przeponowego pod ciśnieniem Demax woda jest idealnym wyborem, ponieważ nie ulega wrzeniu oraz jest bezpieczna i przyjazna dla środowiska. Jednak woda zamarza w temperaturze 0 stopni Celsjusza, dlatego systemy te mogą działać wyłącznie w regionach wolnych od mrozów. Gdy istnieje ryzyko zamarznięcia systemu w warunkach zimowych, konieczne jest całkowite opróżnienie go z wody, aby uniknąć uszkodzeń. Dane dotyczące wydajności zebrano w domach położonych w kontynentalnym regionie śródziemnomorskim; w 2023 roku Federacja Europejskiej Przemysłowej Branży Energii Cieplnej z Solara (ESTIF) wykazała, że układy oparte na wodzie osiągnęły sezonową sprawność na poziomie około 60%.

Rozwiązania skupione na bezpieczeństwie i ochronie przed zamarzaniem

W przypadku ochrony przed zamarzaniem mieszaniny glikolu propylenowego i wody wykazują dużą skuteczność. Działają one poprawnie nawet przy temperaturach do minus 30 stopni Celsjusza i są mniej niebezpieczne niż inne dostępne opcje zawierające glikol etylenowy, które mogą stanowić zagrożenie w przypadku wycieku. Te mieszaniny zapobiegają również korozji, o ile systemy są budowane zgodnie z odpowiednimi wytycznymi, np. z użyciem stali nierdzewnej oraz niektórych innych tworzyw sztucznych. Z drugiej strony mieszaniny glikolu propylenowego i wody mogą być o 30–50 procent bardziej lepkie niż woda w temperaturze 20 stopni Celsjusza, co wymaga większego wysiłku ze strony pomp. Niemniej jednak dzięki doskonałej odporności na niskie temperatury są one głównym medium przekazywania ciepła w większości regionów Ameryki Północnej i Europy Północnej. Ostatnio producenci osiągnęli dalsze usprawnienia poprzez dodawanie do płynów specyficznych, zastrzeżonych chemicznie składników zmniejszających szybkość degradacji płynu. Gdy płyny te są badane w zamkniętych układach Demax zgodnie z obowiązującymi standardami branżowymi, szacuje się, że ich okres użytkowania wynosi od 5 do 7 lat.

Termicznie stabilne płyny silikonowe i powietrze: zastosowania specjalistyczne w systemach solarnej energii cieplnej bez ciśnienia i w podwyższonych temperaturach

Płyny silikonowe do przekazywania ciepła są jedynymi płynami, które pozostają sprawne przez dłuższy czas w niemal nienaprężonych, otwartych obwodach skoncentrowanych systemów solarnej energii cieplnej działających w podwyższonych temperaturach od 200 do 400 °C. Płyny silikonowe posiadają również zdolność przekazywania ciepła niezbędną do zastosowania w zakresie wysokich temperatur w skoncentrowanych systemach solarnej energii cieplnej. Jednak płyny do przekazywania ciepła nie są stosowane w systemach, w których czynnikiem roboczym jest powietrze. Powietrze w połączeniu z otwartymi obwodami zapewnia niezawodność eksploatacyjną oraz ułatwia konserwację w niemal nienaprężonych systemach solarnej energii cieplnej. Udzielanie się tych specjalistycznych płynów, nawet w przypadku ich zoptymalizowania, stanowi mniej niż 15 procent ogólnoświatowego udziału instalacji solarnej energii cieplnej.

Ta liczba pochodzi z najnowszej analizy rynku przeprowadzonej w ramach inicjatywy SolarPACES Agencji Międzynarodowej Energii z 2024 roku.

Kluczowe kryteria wyboru cieczy do przenoszenia ciepła w systemach solarnej energii cieplnej

Stabilność termiczna i odporność na degradację

W zastosowaniach cieczy do przekazywania ciepła (HTF) w systemach solarnej energii cieplnej oczekuje się, że będą one chemicznie stabilne na dłuższą metę, pozostając w temperaturze bliskiej 200 stopni Celsjusza przez długie okresy czasu (nawet lata) w niektórych przypadkach. Gdy ciecze są chemicznie niestabilne, ma to negatywne skutki dla całego systemu, w tym obniżenie wydajności cieplnej. W niektórych udokumentowanych przypadkach wydajność cieplna cieczy zmniejszyła się o 22% w ciągu pięciu lat. Zazwyczaj wynika to z wzrostu lepkości spowodowanego utlenianiem cieczy oraz późniejszym powstawaniem osadów. Takie warunki prowadzą również do zwiększenia zapotrzebowania na konserwację oraz obniżenia wydajności wymienników ciepła. Choć inhibitory utleniania mogą złagodzić niektóre z wyżej wymienionych problemów, konieczne jest większe skupienie się na zgodności cieczy z materiałami systemu w czasie eksploatacji. Materiały systemowe, takie jak miedź i aluminium, a nawet guma w uszczelkach niektórych zaworów, mogą ulec różnym reakcjom chemicznym z cieczą w trakcie eksploatacji. W szczególności w zatłoczonych systemach Demax szacuje się, że tempo korozji jest około o 30% wyższe przy użyciu cieczy stabilnych niż przy użyciu cieczy niestabilnych.

Ten rodzaj zużycia i uszkodzeń nie tylko skraca żywotność sprzętu. Powoduje także znaczny wzrost budżetów konserwacyjnych w dłuższej perspektywie.

Wybór płynu w zależności od stref klimatycznych na rynku solarnych systemów ciepłowniczych w Ameryce Północnej i Europie

Wybór płynu musi być rygorystycznie dostosowany do skrajnych warunków klimatycznych w regionie instalacji.

1. Skandynawia i Europa Środkowa: Ochrona musi być zapewniona do temperatury –30 °C. W tym celu mieszanka glikolu propylenowego i wody w stosunku 50:50 jest de facto standardem dla wdrożeń systemów Demax w zimnych klimatach, ponieważ zachowuje ponad 85% wydajności przenoszenia ciepła wody.

2. Morze Śródziemne i południowo-zachodnie Stany Zjednoczone: Temperatury stacjonarne regularnie przekraczają 300°C. Temperatury stacjonarne wymagają zatem wysokiej stabilności w podwyższonej temperaturze w połączeniu z niskim ciśnieniem pary. W tym względzie silikony wykazują lepsze właściwości niż glikole, ponieważ ich ciśnienie pary jest o 40% niższe niż glikoli w zakresie maksymalnych temperatur roboczych, co zmniejsza częstotliwość aktywacji zaworów bezpieczeństwa oraz, w konsekwencji, utratę płynu.

3. Północno-wschodnie Stany Zjednoczone jako przykład klimatu hybrydowego: Konieczne jest zastosowanie rozwiązania zapewniającego ochronę dwukierunkową. Najnowsze generacje pianek węglowodorowych charakteryzują się zdolnością do przepompowywania poniżej –25°C oraz odpornością na degradację termiczną przy temperaturach sięgających nawet 290°C. Dzięki temu zapewniona jest bezpieczna eksploatacja przez cały rok bez utraty efektywności.

Choć ich zastosowanie zwiększa lepkość o 12–15%, co prowadzi do wyższego nakładu mocy pompowania oraz konieczności stosowania pomp o większych średnicach cylindrów, obserwuje się wyraźny trend w kierunku użycia cieczy o wyższej stabilności termicznej, mimo dodatkowych ograniczeń bezpieczeństwa, jakie one nakładają.

Porównanie wydajności pod względem sprawności, bezpieczeństwa oraz zgodności z systemem w zastosowaniach solarnej energii cieplnej

Kompromisy termofizyczne związane ze specyficzną pojemnością cieplną, lepkością oraz energią pompowania w kontekście przepływu i wpływu na uzysk cieplny z kolektorów słonecznych

Ogólną wydajność cieplną każdego płynu przeanalizowano w odniesieniu do trzech jego cech fizykochemicznych: pojemności magazynowania energii cieplnej (ciepła właściwego), lepkości (grubości) płynu oraz odporności termicznej (stabilności termicznej). Woda jest doskonałym odbiornikiem energii cieplnej (ciepło właściwe wynosi około 4,18 kJ na kg na stopień K). Jednak zastosowanie wody w tych systemach wiąże się z problemami, ponieważ temperatury mogą spadać poniżej punktu zamarzania. W takich przypadkach konieczne staje się użycie mieszanin glikolu, choć te płyny są o 30–50 % bardziej lepkie niż woda. Dodatkowy opór lepkościowy płynu wymaga większej pracy pomp, co zwykle powoduje wzrost zużycia energii o 15–30 % w dużych systemach przemysłowych, zmniejszając tym samym netto ilość pozyskanej energii słonecznej. Choć płyny krzemionkowe nie stają się tak lepkie przy podwyższonej temperaturze, ich ciepło właściwe mieści się w zakresie 1,5–1,8 kJ. Operator korzystający z płynów krzemionkowych musiałby więc zapewnić dwukrotnie większy przepływ płynu niż w przypadku wody. Takie zarządzanie przepływem płynu zwiększa potrzebę stosowania większych pomp, podnosi koszty związane z zużyciem energii elektrycznej oraz zwiększa obciążenie związane z konserwacją i konserwacją.

Potwierdzono w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych na elektrowniach słonecznych z kolektorami parabolicznymi, że niezgodność między cieczami roboczymi a pompami może prowadzić do spadku wydajności cieplnej o 12–18 proc. w czasie. Istotnie, niskiej jakości ciecze ulegają szybszej degradacji i mogą zwiększyć swoją lepkość nawet o 50–80 proc. już po zaledwie pięciu latach, co wpływa na przepływ. W związku z tym inżynierowie muszą dokładnie ocenić każdą nową ciecz roboczą pod kątem jej zgodności ze wszystkimi elementami systemu, z którymi będzie się kontaktować, w tym z zbiornikami rozszerzalnymi, zaworami oraz – w szczególności – z płytowymi wymiennikami ciepła lutowanymi miedzią.

Często zadawane pytania

Jaka jest główna zaleta stosowania wody jako czynnika grzewczego w systemach Demax?

Woda jest bardziej skuteczna w przenoszeniu ciepła, ponieważ jej właściwa pojemność cieplna jest wyższa niż innych cieczy. Jej zastosowanie w niskotemperaturowych aplikacjach w regionach wolnych od mróz oraz niskie straty energii związane z pompowaniem czynią ją bardzo preferowanym czynnikiem grzewczym.

Jakie są zalety stosowania mieszanin glikolu propylenowego i wody w klimacie zimnym?

Te mieszaniny są gęstsze niż woda i bezpieczniejsze niż opcje zawierające glikol etylenowy. Są preferowanym rozwiązaniem w regionach o zimnym klimacie ze względu na odporność na niskie temperatury oraz zwiększoną lepkość, szczególnie w Ameryce Północnej i Europie Północnej.

Jakie cechy płynów krzemionkowych umożliwiają ich zastosowanie w aplikacjach wysokotemperaturowych?

Płyny krzemionkowe charakteryzują się wyjątkową stabilnością termiczną, co pozwala na ich stosowanie w aplikacjach wysokotemperaturowych, takich jak skoncentrowane systemy solarno-termiczne. Ponadto płyny krzemionkowe mają niskie ciśnienia pary, co minimalizuje ryzyko aktywacji zaworów bezpieczeństwa przy maksymalnych temperaturach.

Jakie są implikacje kryteriów wyboru płynu przekazującego ciepło dla klimatu danego regionu?

Aby zapewnić maksymalną niezawodność i wydajność systemu, w regionach zimnych należy stosować płyny przekazujące ciepło zapewniające ochronę przed zamarzaniem, natomiast w regionach gorących – płyny o wysokiej stabilności termicznej.