Які рідини для теплопередачі використовуються в сонячних термальних системах Demax?

Основні варіанти рідин для теплопередачі для сонячних термальних систем Demax

Вода: найкращий варіант для низькотемпературних підключених під тиском установок Demax

Для сонячних теплових застосувань, що працюють при температурах нижче 100 °C, вода залишається одним із найекономічніших і ефективних варіантів теплоносія. Переваги води зумовлені її порівняно високою питомою теплоємністю (приблизно 4,18 кДж на кг·К), а також низькими вимогами до потужності насосів. При охолодженні за допомогою підтисненої системи Demax вода є ідеальним варіантом, оскільки вона не закипає, є безпечною та екологічно чистою. Однак вода замерзає при 0 °C, тому такі системи можуть функціонувати лише в регіонах, де немає замерзання. Коли через зимові умови існує ризик замерзання системи, техніки повинні повністю спустити воду, щоб уникнути пошкоджень. Дані про ефективність, отримані в континентальних середземноморських будинках, показали, що в 2023 році Європейська федерація сонячної теплової промисловості (ESTIF) довела: сезонна ефективність установок на основі води становила близько 60 %.

Рішення, зосереджені на безпеці та захисті від замерзання

Щодо захисту від замерзання, суміші пропіленгліколю та води демонструють великий потенціал. Вони зберігають робочі властивості при температурах до мінус 30 °C і є менш небезпечними порівняно з іншими доступними варіантами, що містять етиленгліколь та можуть становити загрозу при протіканні. Ці суміші також запобігають корозії, якщо системи змонтовано згідно з відповідними рекомендаціями — з використанням нержавіючої сталі та певних інших пластиків. З іншого боку, суміші пропіленгліколю й води можуть мати в’язкість на 30–50 % вищу, ніж у води, при 20 °C, тому насоси повинні працювати значно інтенсивніше. Однак, оскільки ці рідини чудово витримують низькі температури, вони є основною робочою рідиною для теплопередачі в більшості регіонів Північної Америки та Північної Європи. Нещодавно виробники також досягли покращення, додаючи до рідин спеціальні власницькі хімічні речовини, що знижують швидкість розкладання рідини. Коли рідини тестують у замкнутих контурах систем Demax згідно з установленими галузевими стандартами, їхній термін служби оцінюється в 5–7 років.

Термостійкі силіконові рідини та повітря: спеціалізоване використання в сонячних теплових застосуваннях без тиску й при підвищених температурах

Силіконові рідини для теплопередачі — єдині рідини, які здатні працювати протягом тривалого часу в незамкнених сонячних теплових системах концентрованого типу без тиску, що функціонують при підвищених температурах у діапазоні від 200 до 400 °C. Силіконові рідини також мають необхідну здатність до теплопередачі для використання в високотемпературному діапазоні в концентрованих сонячних теплових системах. Однак теплоносії не використовуються в системах, де робочим середовищем є повітря. Повітря в поєднанні з незамкненими системами забезпечує надійність експлуатації та простоту обслуговування в сонячних теплових системах без тиску. Поєднання цих спеціалізованих рідин, навіть за оптимальних умов, становить менше 15 відсотків від загальносвітового обсягу сонячних теплових установок.

Це число взято з найновішого ринкового аналізу Міжнародного енергетичного агентства за ініціативою SolarPACES 2024 року.

Ключові критерії вибору теплоносіїв для сонячних термальних систем

Термічна стабільність та стійкість до деградації

У сонячних теплових системах, де використовуються рідини для передачі тепла (HTF), від них вимагається тривала хімічна стабільність, оскільки вони повинні зберігатися при температурі близько 200 °C протягом тривалого часу (у деяких випадках — навіть роками). Якщо рідини є хімічно нестабільними, це має негативні наслідки для всієї системи, зокрема зниження теплової ефективності. У деяких задокументованих випадках за п’ятирічний період спостерігалося зниження теплової ефективності рідини на 22 %. Це часто пов’язано зі зростанням в’язкості через окиснення рідини та подальше утворення шламу. Такі умови також призводять до збільшення обсягу технічного обслуговування та зниження ефективності теплообмінників. Хоча інгібітори окиснення можуть частково зменшити зазначені вище проблеми, необхідно значно більше уваги приділити сумісності рідини з матеріалами системи протягом тривалого часу. Матеріали системи, такі як мідь і алюміній, а також гумові ущільнення в деяких клапанах, з часом можуть вступати в різні хімічні реакції з рідиною. Зокрема, у підтисканих системах Demax оцінюється, що швидкість корозії приблизно на 30 % вища у разі використання стабільних рідин порівняно з нестабільними.

Цей тип зносу не просто скорочує термін експлуатації обладнання. Він також значно збільшує бюджети на технічне обслуговування в довгостроковій перспективі.

Вибір рідини залежно від кліматичних зон на ринку сонячних теплових систем у Північній Америці та Європі

Вибір рідини має строго відповідати кліматичним екстремумам у регіоні встановлення.

1. Північна Європа та Центральна Європа: необхідна захисна дія до –30 °C. Для цього суміш пропіленгліколю та води у співвідношенні 50:50 є де-факто стандартом для розгортання систем Demax у холодних кліматах, оскільки вона зберігає понад 85 % ефективності передачі тепла порівняно з водою.

2. Середземномор’я та Південнозахідні Сполучені Штати: Температури застою регулярно перевищують 300 °C. Тому температури застою вимагають високої термостійкості в поєднанні з низьким тиском пари. У цьому аспекті силікони перевершують гліколі, оскільки їх тиск пари на 40 % нижчий, ніж у гліколів, при максимальних робочих температурах, що зменшує частоту спрацьовування клапанів зниження тиску й, відповідно, втрати рідини.

3. Північно-Східні Сполучені Штати як приклад гібридного клімату: Необхідна конструкція з подвійним захистом. Найсучасніші покоління вуглеводневих пін здатні залишатися перекачуваними при температурах нижче –25 °C і витримувати термічне розкладання при температурах до 290 °C. Це забезпечує безпечну експлуатацію протягом року без втрати ефективності.

Хоча їх використання збільшує в’язкість на 12–15 %, що призводить до зростання зусиль, необхідних для перекачування, та потреби у більших діаметрах циліндрів насосів, спостерігається тенденція до застосування рідин із підвищеною термічною стабільністю, незважаючи на додаткові обмеження щодо безпеки, які вони накладають.

Порівняння ефективності, безпеки та сумісності з системою в сонячних теплових застосуваннях

Термофізичні компроміси щодо питомої теплоємності, в’язкості та енергозатрат на перекачування потоку у контексті сонячного теплового коефіцієнта

Загальну теплову ефективність кожного теплоносія аналізували щодо трьох його фізико-хімічних характеристик: здатності теплоносія до зберігання теплової енергії (питома теплоємність), товщини теплоносія (в’язкість) та його термічного розкладу (термічна стабільність). Вода є чудовим поглиначем теплової енергії (питома теплоємність становить приблизно 4,18 кДж на кг на градус К). Однак у разі використання води в таких системах виникають проблеми, оскільки температури можуть опускатися нижче точки замерзання. У цих випадках необхідно використовувати суміші гліколю, хоча такі рідини мають в’язкість на 30–50 % вищу, ніж у води. Цей додатковий в’язкісний опір рідини вимагає від насосів виконання більшої роботи, що зазвичай призводить до зростання споживання енергії на 15–30 % у великих промислових системах і зменшення загальної кількості зібраної сонячної енергії. Хоча силіконові рідини стають менш в’язкими при нагріванні, їхня питома теплоємність обмежена діапазоном 1,5–1,8 кДж. Отже, оператору, що використовує силіконові рідини, доведеться забезпечити вдвічі більший об’єм їхнього потоку, ніж у разі використання води. Таке управління рідиною збільшує потребу в більш потужних насосах, підвищує витрати на електроенергію та збільшує навантаження на технічне обслуговування.

Підтверджено в реальних умовах експлуатації на сонячних електростанціях з параболічними жолобами, що несумісність теплоносіїв і насосів з часом може зменшити теплову потужність на 12–18 відсотків. Що особливо важливо, низькоякісні теплоносії швидше розкладаються й можуть стати на 50–80 відсотків більш в’язкими вже через 5 років, що погіршує їхню протікання. Отже, інженери повинні обов’язково оцінювати будь-який новий теплоносій у взаємодії з усіма компонентами системи, з якими він матиме контакт, у тому числі з розширювальними баками, клапанами й, зокрема, з пластинчатими теплообмінниками з паяними пластинами.

Поширені запитання

Яка основна перевага використання води як теплоносія в системах Demax?

Вода ефективніша у перенесенні тепла, оскільки має більшу питому теплоємність порівняно з іншими рідинами. Її застосування при низьких температурах у регіонах без замерзання та незначні втрати енергії на перекачування роблять її надзвичайно бажаним теплоносієм.

Які переваги використання сумішей пропіленгліколю й води в холодних кліматах?

Ці суміші є більш густими, ніж вода, і безпечнішими за варіанти на основі етиленгліколю. Вони є переважним варіантом у холодних регіонах завдяки своїй стійкості до низьких температур і підвищеній в’язкості, зокрема в Північній Америці та Північній Європі.

Які характеристики силіконових рідин дозволяють використовувати їх у високотемпературних застосуваннях?

Силіконові рідини мають виняткову термічну стабільність, що дозволяє використовувати їх у високотемпературних застосуваннях, наприклад, у концентрованих сонячних теплових системах. Крім того, силіконові рідини мають низький тиск пари, що мінімізує ймовірність активації клапанів зниження тиску при максимальних температурах.

Які наслідки мають критерії вибору для кліматичних умов регіону під час вибору теплоносія?

Щоб максимізувати надійність і ефективність системи, у холодних регіонах слід використовувати теплоносії з захистом від замерзання, а в спекотних регіонах — теплоносії з високою термічною стабільністю.