Ce fluide de transfer termic sunt utilizate în sistemele solare termice Demax?

Opțiuni principale pentru fluide de transfer termic în sistemele solare termice Demax

Apă: cea mai potrivită pentru instalațiile Demax la temperaturi scăzute și sub presiune

Pentru aplicațiile solare termice care funcționează la temperaturi sub 100 de grade Celsius, apa rămâne una dintre cele mai economice și eficiente opțiuni disponibile ca fluid de transfer termic. Proprietățile avantajoase ale apei rezultă din capacitatea sa specifică de căldură relativ ridicată (aproximativ 4,18 kJ pe kg·K), în timp ce necesită o putere redusă de pompare. Atunci când se realizează răcirea cu un sistem Demax presurizat, apa este ideală, deoarece nu poate fierbe și este sigură și prietenoasă cu mediul. Totuși, apa îngheață la 0 grade Celsius și, ca urmare, aceste sisteme pot funcționa doar în regiunile fără îngheț. Când există riscul ca sistemele să înghețe din cauza condițiilor de iarnă, tehnicienii trebuie să golească complet apa pentru a evita deteriorarea. Datele privind performanța obținute în locuințele mediteraneene continentale arată că, în 2023, ESTIF (Federația Europeană a Industriei Solare Termice) a demonstrat că instalațiile bazate pe apă au atins o eficiență sezonieră de aproximativ 60%.

Soluții centrate pe siguranță și protecție împotriva înghețului

În ceea ce privește protecția împotriva înghețului, amestecurile de propilenglicol și apă prezintă un potențial semnificativ. Acestea rămân eficiente până la temperaturi de minus 30 de grade Celsius și sunt mai puțin periculoase decât celelalte opțiuni disponibile, care folosesc etilenglicol și pot fi periculoase în cazul scurgerilor. Aceste amestecuri previn, de asemenea, coroziunea atunci când sistemele sunt construite conform ghidurilor adecvate, utilizând oțel inoxidabil și anumite alte tipuri de plastic. Pe de altă parte, amestecurile de propilenglicol/apă pot avea o vâscozitate cu 30–50 % mai mare decât cea a apei la 20 de grade Celsius, astfel încât pompele trebuie să funcționeze mult mai intens. Totuși, datorită performanței excelente în condiții de temperaturi scăzute, acestea reprezintă fluidul de transfer termic preferat în majoritatea regiunilor din America de Nord și Europa de Nord. În ultimul timp, producătorii au obținut, de asemenea, îmbunătățiri prin adăugarea unor substanțe chimice specifice, proprietare, în fluide, care reduc viteza de degradare a acestora. Când fluidele sunt testate în sisteme închise Demax, conform standardelor industriale prescrise, se estimează că acestea au o durată de viață de 5–7 ani.

Fluide de silicon termic stabil și aer: Utilizări specializate în aplicații solare termice fără presiune și la temperaturi ridicate

Fluidele de transfer termic pe bază de silicon sunt singurele fluide care rămân operaționale pe perioade lungi de timp în sistemele solare termice concentrate cu buclă deschisă, fără presiune, care funcționează la temperaturi ridicate, între 200 și 400 °C. Fluidele de silicon au, de asemenea, capacitatea de transfer termic necesară pentru utilizare în domeniul temperaturilor înalte din sistemele solare termice concentrate. Totuși, fluidele de transfer termic nu sunt utilizate în sistemele în care aerul este fluidul de lucru. Aerul, în combinație cu sistemele cu buclă deschisă, asigură fiabilitatea în funcționare și ușurința întreținerii în sistemele solare termice fără presiune. Combinarea acestor fluide specializate, chiar dacă este optimizată, reprezintă mai puțin de 15 procente din totalul global al instalațiilor solare termice.

Acel număr provine din cea mai recentă analiză de piață realizată de inițiativa SolarPACES a Agenției Internaționale pentru Energie, ediția 2024.

Criterii cheie de selecție pentru fluidele de transfer termic solare

Stabilitate termică și rezistență la degradare

În aplicațiile termosolare cu fluide de transfer termic (HTF), se așteaptă ca acestea să fie chimic stabile pe termen lung, fiind supuse unor temperaturi în jurul valorii de 200 de grade Celsius pentru perioade îndelungate (chiar și ani de zile) în unele cazuri. Atunci când fluidele sunt chimic instabile, aceasta are implicații negative asupra întregului sistem, inclusiv o scădere a performanței termice. În unele cazuri documentate, fluidele au înregistrat o scădere a performanței termice cu 22 % într-o perioadă de cinci ani. Acest lucru se datorează adesea creșterii vâscozității cauzate de oxidarea fluidului și ulterioara formare a nămolului. Astfel de condiții conduc, de asemenea, la o creștere a necesarului de întreținere și la o scădere a performanței schimbătoarelor de căldură. Deși inhibitorii de oxidare pot atenua unele dintre problemele menționate anterior, este necesară o atenție sporită acordată compatibilității fluidelor cu materialele sistemului pe termen lung. Materialele sistemului, cum ar fi cuprul și aluminiul, dar chiar și cauciucul din unele etanșări ale robinetelor, pot suferi diverse reacții chimice cu fluidul pe parcursul timpului. În special, în sistemele presurizate Demax, s-a estimat că rata de coroziune este aproximativ cu 30 % mai mare în cazul fluidelor stabile comparativ cu cele instabile.

Acest tip de uzură nu scurtează pur și simplu durata de viață a echipamentelor. De asemenea, crește în mod semnificativ bugetele de întreținere pe termen lung.

Selectarea fluidelor în funcție de zonele climatice pe piața termosolare din America de Nord și Europa

Selectarea fluidului trebuie respectată riguros în funcție de extreme climatice din regiunea de instalare.

1. Țările nordice și Europa Centrală: Protecția trebuie asigurată până la –30 °C. În acest scop, un amestec de propilenglicol și apă în raport de 50:50 reprezintă standardul de facto pentru implementările Demax în climă rece, deoarece menține peste 85 % din eficiența de transfer termic a apei.

2. Mediterana și sud-vestul Statelor Unite: Temperaturile de stagnare depășesc în mod regulat 300 °C. Temperaturile de stagnare necesită, prin urmare, stabilitate la temperaturi ridicate, împreună cu o presiune de vapori scăzută. În acest sens, siliconii îi depășesc pe glicoli, deoarece presiunea lor de vapori este cu 40 % mai mică decât cea a glicolilor la temperaturile maxime de funcționare, reducând astfel frecvența activărilor supapei de siguranță pentru descărcarea presiunii și, implicit, pierderea lichidului.

3. Nord-estul Statelor Unite, ca exemplu de climă hibridă: Este necesar un design de protecție dublă. Ultima generație de spume pe bază de hidrocarburi are capacitatea de a rămâne pompată la temperaturi sub –25 °C și de a rezista degradării termice la temperaturi de până la 290 °C. Aceasta permite siguranța operațională pe întreaga perioadă anuală, fără a compromite eficiența.

Deși utilizarea lor crește vâscozitatea cu 12–15%, ceea ce duce la o mărire a efortului de pompare și la diametre mai mari ale cilindrului pompei, se observă o tendință de utilizare a unor lichide mai stabile din punct de vedere termic, în ciuda constrângerilor suplimentare de siguranță pe care le impun.

Compararea performanței în ceea ce privește eficiența, siguranța și compatibilitatea sistemului în aplicațiile termosolare

Compromisuri termofizice legate de căldura specifică, vâscozitate și considerente privind energia de pompare a curgerii, în raport cu randamentul termosolar

Performanța termică generală a fiecărui fluid a fost analizată în raport cu trei dintre caracteristicile fizico-chimice ale fluidului: capacitatea de stocare a energiei termice (căldura specifică), grosimea fluidului (vâscozitatea) și degradarea termică a fluidului (stabilitatea termică). Apa este un absorbant excelent de energie termică (căldura specifică este de aproximativ 4,18 kJ pe kg și grad K). Totuși, apar probleme legate de utilizarea apei în aceste sisteme, deoarece temperaturile pot scădea sub punctul de îngheț. În aceste cazuri, este necesară utilizarea amestecurilor de glicol, deși aceste fluide sunt cu 30–50 % mai vâscoase decât apa. Această rezistență suplimentară datorată vâscozității fluidului necesită ca pompele să efectueze un lucru suplimentar, ceea ce duce, de obicei, la o creștere a consumului de energie cu 15–30 % în sistemele industriale mari, reducând astfel energia solară utilă colectată. Deși fluidele pe bază de silicon nu devin la fel de vâscoase la încălzire, căldura lor specifică este limitată la o gamă de 1,5–1,8 kJ. Prin urmare, un operator care utilizează fluide pe bază de silicon ar trebui să asigure un debit de fluid de două ori mai mare decât cel necesar în cazul apei. Această gestionare a fluidului determină nevoia de pompe mai mari, crește cheltuielile legate de electricitate și sporește sarcina de întreținere.

S-a confirmat prin testări în condiții reale la centrale solare cu colectoare parabolice că utilizarea unor fluide și pompe neconforme poate reduce randamentul termic cu 12–18% pe parcursul timpului. În mod semnificativ, fluidele de calitate inferioară se degradează mai rapid și pot deveni cu 50–80% mai vâscoase după doar 5 ani, ceea ce afectează debitul. Prin urmare, inginerii trebuie să evalueze, în esență, orice fluid nou în raport cu fiecare componentă a sistemului cu care va intra în contact, inclusiv rezervoarele de expansiune, supapele și, în special, schimbătoarele de căldură cu plăci brazate.

Întrebări frecvente

Care este beneficiul principal al utilizării apei ca fluid de transfer termic în sistemele Demax?

Apa este mai eficientă în transportul căldurii, deoarece are o capacitate calorică specifică mai mare decât alte fluide. Aplicabilitatea sa la temperaturi scăzute în regiunile fără îngheț și pierderile reduse de energie la pompare o fac un fluid foarte preferat.

Care sunt avantajele utilizării amestecurilor de propilenglicol/apă în climatul rece?

Aceste amestecuri sunt mai vâscoase decât apa și sunt mai sigure decât opțiunile pe bază de etilenglicol. Ele reprezintă o opțiune preferată în regiunile reci datorită rezistenței lor la temperaturi scăzute și vâscozității crescută, în special în America de Nord și Europa de Nord.

Care sunt caracteristicile fluidelor pe bază de silicon care le permit utilizarea în aplicații cu temperaturi ridicate?

Fluidele pe bază de silicon posedă o stabilitate termică remarcabilă, ceea ce le permite utilizarea în aplicații cu temperaturi ridicate, cum ar fi sistemele solare termice concentrate. În plus, fluidele pe bază de silicon au presiuni de vapori scăzute, ceea ce minimizează probabilitatea declanșării dispozitivelor de descărcare a presiunii la temperaturile maxime.

Care sunt implicațiile criteriilor de selecție legate de climatul regiunii la alegerea unui fluid de transfer termic?

Pentru a maximiza fiabilitatea și eficiența sistemului, protecția împotriva înghețului oferită de fluidele de transfer termic trebuie utilizată în regiunile reci, în timp ce fluidele care prezintă o stabilitate termică ridicată trebuie utilizate în regiunile calde.