Demax Güneş Enerjisi Isı Transfer Sistemlerinde Hangi Isı Transfer Sıvıları Kullanılır?

Demax Güneş Enerjisi Isı Transfer Sistemleri İçin Temel Isı Transfer Sıvısı Seçenekleri

Su: Düşük Sıcaklıkta ve Basınçlı Demax Kurulumları İçin En İyi Seçenek

100 derece Celsius'un altındaki sıcaklıkta çalışan güneş termal uygulamalar için su, ısı transfer akışkanı olarak mevcut en ekonomik ve verimli seçeneklerden biri olmaya devam etmektedir. Suyun avantajlı özellikleri, nispeten yüksek özgül ısı kapasitesinden (yaklaşık 4,18 kJ/kg·K) kaynaklanır; bu da düşük pompa gücü gerektirmesini sağlar. Basınçlı bir Demax sistemiyle soğutma yapıldığında su idealdir çünkü kaynamaz ve güvenli ile çevre dostudur. Ancak su 0 derece Celsius’ta donar; bu nedenle bu sistemler yalnızca donma riski olmayan bölgelerde çalıştırılabilir. Sistemlerin kış koşulları nedeniyle donma riski altında olduğu durumlarda, hasarı önlemek amacıyla teknisyenler suyu tamamen boşaltmak zorundadır. Kıtasal Akdeniz ülkelerindeki evlerden elde edilen performans verileri, 2023 yılında ESTIF (Avrupa Güneş Termal Sanayi Federasyonu) tarafından su tabanlı sistemlerin yaklaşık %60 mevsimsel verim elde ettiğinin kanıtlandığını göstermektedir.

Güvenlik ve Donmaya Karşı Koruma Odaklı Çözümler

Donmaya karşı koruma açısından propilen glikol ve su karışımları büyük umut vaat etmektedir. Bu karışımlar eksi 30 derece Celsius’a kadar etkin çalışır ve etilen glikol içeren diğer seçeneklere kıyasla daha az tehlikelidir; bu diğer seçenekler sızıntı durumunda tehlikeli olabilir. Ayrıca sistemler paslanmaz çelik ve belirli diğer plastikler kullanılarak doğru talimatlara uygun şekilde inşa edildiğinde bu karışımlar korozyonu da engeller. Olumsuz yönü ise, propilen glikol/su karışımlarının 20 derece Celsius’ta suya göre %30 ila %50 oranında daha yüksek viskoziteye sahip olmasıdır; bu nedenle pompaların çok daha fazla çalışma yüküyle çalışması gerekir. Ancak düşük sıcaklıklarda oldukça iyi performans gösterdikleri için bu karışımlar, Kuzey Amerika ve Kuzey Avrupa’nın çoğu bölgesinde tercih edilen ısı transfer akışkanıdır. Son zamanlarda üreticiler, akışkanların bozunma hızını azaltmak amacıyla akışkanlara özel patentli kimyasallar ekleyerek ileriye yönelik gelişmeler kaydetmiştir. Akışkanlar, sektörün öngördüğü standartlara göre kapalı devre Demax sistemlerinde test edildiğinde, kullanım ömürlerinin 5–7 yıl arasında olacağı tahmin edilmektedir.

Isıl Olarak Kararlı Silikon Sıvıları ve Hava: Basınçsız ve Yüksek Sıcaklıklarda Güneş Isıl Uygulamalarında Özel Kullanımlar

Isı transferi için kullanılan silikon sıvıları, 200 ila 400 °C arasındaki yüksek sıcaklıklarda çalışan, basınçsız açık döngülü yoğunlaştırılmış güneş ısıtma sistemlerinde uzun süreli olarak işlev görebilen tek sıvılardır. Silikon sıvılarının ayrıca yoğunlaştırılmış güneş ısıtma sistemlerinde yüksek sıcaklık aralığında kullanılabilmesi için gerekli ısı transferi kapasitesi de vardır. Ancak ısı transferi sıvıları, çalışma akışkanı olarak havanın kullanıldığı sistemlerde kullanılmaz. Hava, açık döngülü sistemlerle birlikte kullanıldığında basınçsız güneş ısıtma sistemlerinde işletme güvenilirliği ve bakım kolaylığı sağlar. Bu özel sıvıların birleşimi — optimize edilmiş olsalar bile — küresel toplam güneş ısıtma tesislerinin %15’inden azdır.

Bu sayı, Uluslararası Enerji Ajansı’nın 2024 yılı SolarPACES inisiyatifi kapsamında yayımladığı en son piyasa analizinden gelmektedir.

Güneş Isıl Isı Transfer Sıvılarının Temel Seçim Kriterleri

Termal kararlılık ve bozulmaya dirençlilik

Güneş enerjisi termal uygulamalarında ısı transfer sıvıları (HTF'ler), uzun süreli kimyasal kararlılık göstermeleri beklenir; bazı durumlarda bu sıvılar, hatta yıllarca boyunca yaklaşık 200 derece Celsius civarında sıcaklıklarda bulunmak zorundadır. Sıvılar kimyasal olarak kararsız olduğunda, sistem genelinde olumsuz etkiler ortaya çıkar; bunlara termal verimde azalma da dahildir. Belgelenmiş bazı örneklerde, sıvıların beş yıllık bir dönemde termal veriminde %22’lik bir azalma yaşanmıştır. Bu durum genellikle sıvıların oksidasyonu ve buna bağlı çamur oluşumu nedeniyle viskozitenin artmasıyla açıklanır. Böyle koşullar aynı zamanda bakım maliyetlerinin artmasına ve ısı değiştiricilerinin performansının düşmesine neden olur. Oksidasyon inhibitörleri yukarıda belirtilen sorunların bir kısmını azaltabilir; ancak daha büyük bir odak noktası, sıvıların zamanla sistem malzemeleriyle uyumluluğudur. Bakır ve alüminyum gibi sistem malzemeleri, hatta bazı vana contalarındaki kauçuk bile zamanla sıvı ile çeşitli kimyasal reaksiyonlar gösterebilir. Özellikle basınçlı Demax sistemlerinde, kararlı sıvılarla çalışan sistemlerde korozyon hızının, kararsız sıvılarla çalışan sistemlere kıyasla yaklaşık %30 daha yüksek olduğu tahmin edilmektedir.

Bu tür aşınma ve yıpranma, ekipmanın ömrünü yalnızca kısaltmaz. Aynı zamanda bakım bütçelerini uzun vadede önemli ölçüde artırır.

Kuzey Amerika ve Avrupa’da Güneş Enerjili Isıtma Pazarında İklim Bölgelerine Göre Akışkan Seçimi

Akışkan seçimi, kurulum yapılacak bölgenin iklim koşullarının uç noktaları açısından katı bir şekilde uygulanmalıdır.

1. Kuzey ülkeleri ve Orta Avrupa: –30 °C’ye kadar koruma sağlanmalıdır. Bu amaçla, ısı transfer verimliliğinin suyun %85’inden fazlasını koruyan, propilen glikol ve su karışımı (50:50 oranı), soğuk iklimli Demax uygulamaları için de facto standarttır.

2. Akdeniz ve Güneybatı Amerika Birleşik Devletleri: Durdurma sıcaklıkları düzenli olarak 300 °C’yi aşmaktadır. Bu nedenle durdurma sıcaklıkları, yüksek sıcaklıkta kararlılık ile düşük buhar basıncının bir araya gelmesini gerektirir. Bu bağlamda silikonlar, tepe işletme sıcaklıklarında buhar basınçları glikollerden %40 daha düşük olduğu için glikollere kıyasla üstün performans gösterir; bu da basınç tahliyesi aktivasyonlarının sıklığını ve dolayısıyla sıvı kaybını azaltır.

3. Hibrit iklim örneği olarak Kuzeydoğu Amerika Birleşik Devletleri: Çift koruma tasarımı gerekmektedir. En yeni nesil hidrokarbon köpükler, –25 °C’nin altında pompalanabilir kalma yeteneğine sahiptir ve 290 °C’ye kadar olan sıcaklıklarda termal bozunmaya dayanabilir. Bu, verimliliği zedelemeksizin yıllık işletme güvenliğini sağlar.

Kullanımları, viskoziteyi %12–15 oranında artırarak pompalama çabasını ve pompa silindir çaplarını artırmasına rağmen, bunların getirdiği ek güvenlik kısıtlamalarına rağmen daha termal olarak kararlı sıvıların kullanılmasına yönelik bir eğilim gözlemlenmektedir.

Güneş Isıl Uygulamalarda Verimlilik, Güvenlik ve Sistem Uyumluluğu Açısından Performans Karşılaştırması

Güneş Isıl Verim ile İlişkili Akışta Özgül Isı, Viskozite ve Pompa Enerjisi Dikkate Alınarak Gerçekleştirilen Termofiziksel Dengelemeler

Her akışkanın genel termal performansı, akışkanın üç fizikokimyasal özelliğiyle ilişkili olarak analiz edilmiştir: akışkanın termal enerji depolama kapasitesi (özgül ısı), akışkanın kalınlığı (akışkanlık) ve akışkanın termal bozunması (termal kararlılık). Su, mükemmel bir termal enerji emici bir maddedir (özgül ısı yaklaşık olarak 4,18 kJ/kg·K’dir). Ancak bu sistemlerde suyun kullanılması sırasında sorunlar ortaya çıkar çünkü sıcaklıklar donma noktasının altına düşebilir. Bu durumlarda glikol karışımlarının kullanılması gerekmektedir; ancak bu akışkanlar suya kıyasla %30 ila %50 daha yüksek akışkanlığa sahiptir. Bu ek akışkan direnci, pompaların daha fazla iş yapmasını gerektirir; bu da büyük endüstriyel sistemlerde genellikle %15 ila %30 oranında enerji tüketimi artışına ve toplanan net güneş enerjisinin azalmasına neden olur. Silikon akışkanlar ısıtıldığında akışkanlık açısından o kadar artmazsa da özgül ısıları 1,5 ila 1,8 kJ aralığında sınırlıdır. Dolayısıyla silikon akışkan kullanan bir operatörün, su ile karşılaştırıldığında iki kat daha fazla akışkan debisi sağlaması gerekir. Bu akışkan yönetimi, daha büyük pompalara duyulan ihtiyacı artırır, elektrik tüketimiyle ilişkili maliyetleri artırır ve bakım yükünü artırır.

Parabolik oluklu güneş enerjisi santrallerinde yapılan gerçek dünya testleriyle, uyumsuz akışkanlar ve pompaların zamanla termal çıkış gücünü %12 - %18 oranında azaltabileceği doğrulanmıştır. Önemli bir şekilde, düşük kaliteli akışkanlar daha hızlı bozulur ve yalnızca 5 yıl sonra viskoziteleri %50 - %80 oranında artabilir; bu da akış üzerinde olumsuz etki yaratır. Sonuç olarak mühendisler, yeni bir akışkanı sistemin onunla temas edeceği tüm bileşenleriyle birlikte değerlendirmek zorundadır; bunlar arasında genleşme tankları, valfler ve özellikle lehimli plakalı ısı değiştiricileri yer alır.

Sıkça Sorulan Sorular

Demax sistemlerinde ısı transfer akışkanı olarak su kullanmanın temel avantajı nedir?

Su, diğer akışkanlara kıyasla daha yüksek özgül ısı kapasitesine sahip olduğu için ısıyı taşımada daha verimlidir. Donma olmayan bölgelerde düşük sıcaklık uygulamaları için uygun olması ve pompa iletiminde düşük enerji kaybı oluşturması, onu oldukça tercih edilen bir akışkan haline getirir.

Soğuk iklimlerde propilen glikol/su karışımlarının kullanılmasının avantajları nelerdir?

Bu karışımlar suya göre daha yoğundur ve etilen glikol seçeneklerine göre daha güvenlidir. Özellikle Kuzey Amerika ve Kuzey Avrupa gibi soğuk bölgelerde düşük sıcaklık dayanımları ve artmış viskoziteleri nedeniyle tercih edilen bir seçenektir.

Yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılabilmesini sağlayan silikon sıvılarının özellikleri nelerdir?

Silikon sıvıları, yoğun güneş termal sistemleri gibi yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılabilmesini sağlayan dikkat çekici termal kararlılığa sahiptir. Ayrıca silikon sıvılarının buhar basıncı düşüktür; bu da maksimum sıcaklıklarda basınç tahliyesi devreye girmesinin olasılığını en aza indirir.

Isı transfer akışkanı seçerken seçim kriterlerinin bölge iklimi üzerindeki etkileri nelerdir?

Sistemin güvenilirliğini ve verimliliğini maksimize etmek için soğuk bölgelerde ısı transfer akışkanlarından donma koruması yararlanılmalı, sıcak bölgelerde ise yüksek termal kararlılığa sahip akışkanlar kullanılmalıdır.