Vilka vätskor för värmeöverföring används i Demax solvärmesystem?

Kernalternativ för vätskor för värmeöverföring i Demax solvärmesystem

Vatten: Bäst för lågtemperaturinstallationer med tryck i Demax-system

För solvärmeapplikationer som drivs vid temperaturer under 100 grader Celsius är vatten fortfarande ett av de mest ekonomiska och effektiva alternativen som värmebärarvätska. Vattens fördelaktiga egenskaper beror på dess relativt höga specifika värmekapacitet (cirka 4,18 kJ per kg·K), samtidigt som det kräver liten pumpkraft. När kylning sker med ett tryckbelastat Demax-system är vatten idealiskt eftersom det inte kan koka och är säkert samt miljövänligt. Vatten fryser dock vid 0 grader Celsius, och därför kan dessa system endast användas i frostfria regioner. När system riskerar att frysa på grund av vinterförhållanden måste tekniker tömma vattnet fullständigt för att undvika skador. Prestandasiffror från kontinentala medelhavsregioner visar att ESTIF (European Solar Thermal Industry Federation) 2023 bevisade att vattenbaserade installationer uppnådde en säsongsbaserad verkningsgrad på cirka 60 %.

Lösningar fokuserade på säkerhet och frostskydd

När det gäller frostskydd visar blandningar av propylenglykol och vatten stora möjligheter. De fungerar till minus 30 grader Celsius och är mindre farliga än andra alternativ som använder etylenglykol och kan vara farliga vid läckage. Dessa blandningar förhindrar också korrosion när systemen byggs enligt riktlinjerna med rostfritt stål och vissa andra plasttyper. Som nackdel är propylenglykol/vatten-blandningar 30–50 procent mer viskösa än vatten vid 20 grader Celsius, vilket innebär att pumparna måste arbeta betydligt hårdare. Eftersom de dock hanterar låga temperaturer så bra är de det främsta värmeförmedlingsmedlet för majoriteten av platser i Nordamerika och Nordeuropa. Nyligen har tillverkare även uppnått förbättringar genom att tillsätta specifika, ägda kemikalier till vätskorna, vilka minskar nedbrytningshastigheten. När vätskorna testas i slutna Demax-system enligt de fastställda branschstandarderna uppskattas deras livslängd vara 5–7 år.

Termiskt stabila silikongrundvätskor och luft: Specialiserade användningar inom solvärmeapplikationer utan tryck och vid höga temperaturer

Värmeförande silikongrundvätskor är de enda vätskorna som förblir driftsäkra under lång tid i icke-trycksatta öppna kretsar för koncentrerad solvärme som arbetar vid höga temperaturer mellan 200 och 400 °C. Silikongrundvätskor har även den värmeförande förmåga som krävs för användning inom högtemperaturområdet i koncentrerade solvärmesystem. Värmeförande vätskor används dock inte i system där luft är arbetsmediet. Luft, i kombination med öppna kretsar, ger driftsäkerhet och underhållslättighet i icke-trycksatta solvärmesystem. Kombinationen av dessa specialiserade vätskor, även om de är optimerade, utgör mindre än 15 procent av den globala totalen av solvärmeinstallationer.

Detta tal kommer från den senaste marknadsanalysen från Internationella energiagenturens initiativ SolarPACES 2024.

Viktiga urvalskriterier för värmeflödesvätskor för solvärme

Termisk stabilitet och motstånd mot nedbrytning

Vid användning av värmeförmedlingsvätskor (HTF) i solvärmeapplikationer förväntas de vara kemiskt stabila på lång sikt, eftersom de ibland måste utsättas för temperaturer i närheten av 200 grader Celsius under långa perioder (till och med år). När vätskor är kemiskt instabila får detta negativa konsekvenser för hela systemet, bland annat en minskad termisk prestanda. I vissa dokumenterade fall har vätskor upplevt en minskning av den termiska prestandan med 22 % inom en femårsperiod. Detta beror ofta på ökad viskositet orsakad av vätskeoxidation och efterföljande slam bildning. Sådana förhållanden leder också till ökad underhållsbehov och sämre prestanda hos värmeväxlare. Även om oxidationsinhibitorer kan mildra vissa av de nämnda problemen krävs större fokus på vätskans kompatibilitet med systemmaterial över tid. Systemmaterial såsom koppar och aluminium, och även gummislag i vissa ventilpackningar, kan med tiden genomgå olika kemiska reaktioner med vätskan. I synnerhet i tryckbelastade Demax-system uppskattas korrosionshastigheten vara cirka 30 % högre med stabila vätskor jämfört med instabila vätskor.

Denna typ av slitage och skövling förkortar inte bara utrustningens livslängd. Den ökar också underhållsbudgetarna väsentligt på lång sikt.

Vätskeval inom klimatzoner på marknaden för solvärme i Nordamerika och Europa

Vätskevalet måste strikt följas med avseende på klimatets extremvärden i den region där installationen sker.

1. Norden och Central Europa: Skydd måste tillhandahållas ner till –30 °C. För detta ändamål är en blandning av propylenglykol och vatten i förhållandet 50:50 de facto-standard för kallklimatsinstallationer av Demax, eftersom den bibehåller mer än 85 % av vattnets värmeöverföringseffektivitet.

2. Medelhavet och sydvästra USA: Stagnationstemperaturerna överskrider regelbundet 300 °C. Stagnationstemperaturer kräver därför hög temperaturstabilitet kombinerat med lågt ångtryck. I detta avseende är silikoner överlägsna glykoler, eftersom deras ångtryck är 40 % lägre än glykolers vid maximala drifttemperaturer, vilket minskar frekvensen av tryckavlastningsaktiveringar och därmed förlusten av vätska.

3. Nordöstra USA som exempel på ett hybridklimat: En dubbel-skyddslösning krävs. Den senaste generationen av kolvvätebaserade skum har förmågan att förbli pumpbara under –25 °C samt att motstå termisk nedbrytning vid temperaturer upp till 290 °C. Detta möjliggör säker drift under hela året utan att effektiviteten försämras.

Även om deras användning ökar viskositeten med 12–15 %, vilket leder till ökad pumpningsansträngning och större pumpcylinderradier, är en tendens mot användning av mer termiskt stabila vätskor uppenbar, trots de ytterligare säkerhetskrav som de ställer.

Jämförelse av prestanda vad gäller verkningsgrad, säkerhet och systemkompatibilitet i soltermiska tillämpningar

Termofysikaliska avvägningar i samband med specifik värme, viskositet och pumpenergibehov vid flöde, med avseende på soltermisk avkastning

Den totala termiska prestandan för varje vätska analyserades i förhållande till tre av vätskans fysikalisk-kemiska egenskaper: vätskans förmåga att lagra termisk energi (specifik värme), vätskans tjocklek (viskositet) och vätskans termiska nedbrytning (termisk stabilitet). Vatten är en utmärkt absorberare av termisk energi (specifik värme är ca 4,18 kJ per kg och grad K). Problemen uppstår dock vid användning av vatten i dessa system eftersom temperaturerna kan sjunka under fryspunkten. I sådana fall krävs användning av glykolblandningar, även om dessa vätskor är 30–50 % mer viskösa än vatten. Denna ökade viskösa motstånd kräver att pumpar utför mer arbete, vilket vanligtvis leder till en ökning av energiförbrukningen med 15–30 % i stora industrisystem, vilket minskar den nettoinsamlade solenergin. Även om silikonvätskor inte är lika viskösa vid uppvärmning är deras specifika värme begränsad till intervallet 1,5–1,8 kJ. En operatör som använder silikonvätskor måste därför främja två gånger så stor vätskeflöde som skulle vara nödvändigt med vatten. Denna vätskehanttering ökar behovet av större pumpar, ökar kostnaderna för el och ökar underhållsbelastningen.

Det har bekräftats genom verkliga tester på paraboliska tråg-solenergianläggningar att omatchade vätskor och pumpar kan minska den termiska effekten med 12–18 procent över tid. Signifikant är att undermåliga vätskor bryts ned snabbare och kan bli 50–80 procent mer viskösa redan efter endast fem år, vilket påverkar flödet. Därför måste ingenjörer i princip utvärdera varje ny vätska tillsammans med varje komponent i det system som vätskan kommer i kontakt med, inklusive expansionskärl, ventiler och särskilt loddade plattvärmeväxlare.

Vanliga frågor

Vad är den främsta fördelen med att använda vatten som värmefrånföringsvätska i Demax-system?

Vatten är effektivare vid värmetransport eftersom det har en högre specifik värmekapacitet än andra vätskor. Dess användning vid låga temperaturer i frostfria regioner samt dess låga pumpningsenergiförluster gör det till en starkt föredragen vätska.

Vilka är fördelarna med att använda propylenglykol/vattenblandningar i kalla klimat?

Dessa blandningar är tjockare än vatten och säkrare än alternativ med etylenglykol. De är ett föredraget val i kalla regioner på grund av deras låga temperaturmotstånd och ökade viskositet, särskilt i Nordamerika och Nordeuropa.

Vilka egenskaper har kiselfluider som gör att de kan användas i högtemperaturapplikationer?

Kiselfluider har en anmärkningsvärd termisk stabilitet, vilket gör att de kan användas i högtemperaturapplikationer, till exempel i koncentrerade solvärme-system. Dessutom har kiselfluider lågt ångtryck, vilket minimerar risken för aktivering av tryckavlastning vid maximala temperaturer.

Vilka konsekvenser har urvalskriterierna för regionens klimat vid valet av vätska för värmeöverföring?

För att maximera systemets tillförlitlighet och effektivitet bör frysskydd från vätskor för värmeöverföring användas i kalla regioner, medan vätskor med hög termisk stabilitet bör användas i varma regioner.