平板太阳能不同类型导热介质对比分析

近几年，平板太阳能得到了快速发展。在众多平板太阳能生产厂家不断改进生产技术和提高系统换热效率的过程中，保温、吸热膜层、金属材料等方面采取了积极有效的措施以保证产品的市场竞争力，但很多厂家忽视了导热介质这一关键环节，认为导热介质只要满足防冻这一要求就可以了。 　　因此，在市场上采购了汽车防冻液加注到系统中去，或者找到某些汽车防冻液厂家让其根据汽车防冻液的配方提供导热介质，更有甚者在化工市场采购乙二醇加水稀释（并不添加任何助剂）后直接作为导热介质，这些做法存在诸多不足或隐患。本文将从多种视角分析不同类型的导热介质对平板太阳能热水器系统的影响，以期给大家提供有益参考。 　　1.抗冻剂对比 　　抗冻剂的选择直接决定了导热介质的档次和质量，目前，在市场上采购到的导热介质大部分为诸多类型的（-25℃）汽车防冻液，在这些防冻液中符合行业标准的原料主要为乙二醇，但防冻液中一旦含有甲醇有以下隐患：1.甲醇的存在增大了防冻液的腐蚀性；2.防冻液的沸点只有80~90℃，根本不适于太阳能系统使用;3.若传热系统为密闭模式，甲醇挥发后，夹套或者铜管内的压力在高温下迅速增大，容易使水箱或者铜管变形直至损坏泄漏；4.在系统非密封的情况下，甲醇易挥发，加注到太阳能系统后，随着甲醇的挥发，导热介质的冰点也随之升高，整个系统冻裂的风险性非常大。 　　太阳能导热介质应该是无毒或者微毒，常用的原料应该是丙二醇或者乙二醇，乙二醇的毒性大于丙二醇，丙二醇属于安全无毒原料（LD50＞20000mg/kg），从长远来讲，丙二醇型导热介质是无毒环保的产品，符合今后的发展方向，但是现在丙二醇市场价格较高，影响了产品的推广。乙二醇型导热介质在不添加剧毒的亚硝酸钠和铬酸盐的前提下，属于微毒产品，由于价位适中，产品有一定的市场占有率。 　　2.冰点对比 　　如将汽车防冻液作为太阳能导热介质，目前在市场上能够采购到的产品规格基本为-25℃和-35℃两种。我们在长期实践的基础上，提出如下观点：作为太阳能导热介质不同于汽车防冻液，汽车是可移动物体，其活动范围大，具有不确定性，所以要求汽车中加注的防冻液冰点适用区域必须辽阔，留出的冰点冗余要大；但是分体式太阳能固定好后是不可移动的，冰点冗余要根据太阳能热水器使用的地区而确定，因此有必要对导热介质的使用区域和冰点进行细分； 　　1.珠三角地区使用冰点为-10℃的导热介质； 　　2.长江以南区域使用冰点为-15℃的导热介质； 　　3.黄河以南区域使用冰点为-20℃的导热介质； 　　4.北京以北黄河以南区域使用冰点为-25℃的导热介质； 　　5.东三省根据不同地区特点使用更低冰点的导热介质。 　　如此划分的原因是：1.冰点越低，导热介质中水的含量越低；反之，水的含量越高。众所周知，水的含量越高，导热介质的换热效率越高，因此使用高冰点的导热介质，太阳能系统的热效率更高，在市场竞争惨烈的今天，可以使产品在换热效果方面处于领先地位；2.同种品质的导热介质，冰点越高，其乙二醇或者丙二醇的含量越低，采购成本降低，这是所有太阳能生产厂家都希望看到和得到的皆大欢喜之结果。 　　3.材质对比 　　我们知道，汽车发动机和冷却系统等部件材质为压铸铝合金、铸铁、钢、黄铜、紫铜、焊锡等，其中铸铝合金是系统中的大部分零件的材质，也是最易受腐蚀和损坏的环节，因此，汽车防冻液的缓蚀和pH值设计主要针对铸铝。而分体式太阳能系统中金属材质为碳钢、黄铜、紫铜和不锈钢，因此，太阳能专用导热介质的缓蚀和pH值设计应针对其系统本身使用的金属材质进行专业预防，而不能以汽车发动机和冷却系统的金属材质为标准和依据。 　　鉴于以上情况，可能大家以为汽车防冻液或者基于汽车防冻液配方所做的太阳能导热介质对金属材质的缓蚀要比太阳能专用导热介质更加全面，但事实并非如此： 　　一是汽车冷却系统和太阳能换热系统所用金属材料不同，对防冻液的缓蚀和pH值（具体差异见随后内容）的要求也不同，选用合适的专用产品才是王道； 　　二是在防冻液中添加各种助剂的总量是有限的，在太阳能专用导热介质中添加各种专用助剂就应该仅限于系统中的金属材质，而不能加入与系统金属无关的助剂，这样有利于增大专用助剂的添加量，也就是说集中优势力量解决关键问题，使导热介质的缓蚀效率和使用时限得到更大的提高。 　　4.缓蚀助剂对比 　　缓蚀助剂是导热介质的重要组分，对产品的缓蚀性能起着决定性作用。据前述内容，汽车防冻液或基于汽车防冻液配方所做的太阳能导热介质，其缓蚀助剂选择上主要针对铸铝和黑色金属，根据NB/SH/T0521-2010《乙二醇型和丙二醇型发动机冷却液》的要求可知，配方中添加的缓蚀助剂主要是偏硅酸钠和亚硝酸钠，这两种是最便宜和最容易得到无机缓蚀剂，偏硅酸钠虽然是有效的铝缓蚀剂，但受热很容易形成絮状胶体并且沉淀下来，造成如下后果：1.防冻液中的缓蚀助剂已形成沉淀析出无法起到缓蚀作用；2.太阳能系统因为污垢附着在夹套或者管道内降低了导热介质的流速，降低换热效率，并增加了锈蚀风险。 　　亚硝酸钠是有效的黑色金属缓蚀剂，剧毒，在汽车防冻液中应用没有太多限制，但是作为民用的太阳能产品，应该限制其使用。目前，很多太阳能厂家就是用汽车防冻液作为导热介质加注到系统中，结果就是缓蚀助剂不对路，出现了前述现象，非但起不到缓蚀效果，反而加剧了腐蚀，损坏了太阳能换热系统。对比图如下： 　　左图：劣质防冻液加热后出现絮状胶体悬浮物（偏硅酸钠胶体）  右图：我司产品无论低温还是高温溶液始终澄清透明 　　太阳能专用导热介质应该有针对性的对系统中的金属材质进行专业缓蚀，配方中必须添加如下助剂：紫铜专用缓蚀剂、黄铜专用缓蚀剂、碳钢专用缓蚀剂和不锈钢专用缓蚀剂，这些助剂必须做到如下几点：1.助剂毒性低毒或者无毒；2.助剂与溶液有良好的相溶性，无论在低温、常温或者高温下，都不得析出；3.助剂具有高效缓蚀性能，并且具有长久的缓蚀效果；4.尽量避免使用稳定性差的无机缓蚀助剂。另外针对目前有个别太阳能厂家选用铝压铸集热板的情况，配方中应该添加高效的国外进口有机铝专用缓蚀剂，但不能添加稳定性差的偏硅酸钠，以便起到良好的缓蚀效果。 　　5.毒性对比 　　在讨论导热介质的毒性之前，让我们先了解一下毒性衡量标准以及分级。通常物质的毒性通过急性毒性来测定，以大鼠经口LD50值为指标判定毒性大小，大鼠经口LD50值是指把不同剂量的被试验物质经口注入大鼠体内，在14天内足以使占全体数量50%的个体在试验条件下致死的剂量称为LD50（致死量50%），一般用每kg体重所使用的毒物mg数表示（即mg/kg）。根据我国《工业化学品毒性鉴定规范及实验方法》并参考美国科学院对毒性物质的划分，可将毒性分级如表1。 　　太阳能专用导热介质不同于汽车防冻液，与老百姓的日常生活密切相关，一旦发生泄露，就易发生生命危险，因此要求产品必须无毒或微毒。最常用的防冻剂是乙二醇和丙二醇，乙二醇的毒性是微毒（大鼠经口LD50为5900～3400mg/kg），丙二醇的毒性是无毒（大鼠经口LD50为20000mg/kg），不添加有毒的助剂前提下，两者与水混合制备成导热介质后在均能达到微毒或无毒的要求。 　　但是，用汽车防冻液直接作为太阳能导热介质或者基于汽车防冻液配方所做的太阳能导热介质，根据NB/SH/T0521-2010《乙二醇型和丙二醇型发动机冷却液》的要求，配方中加入了大量的剧毒物质亚硝酸钠，有的还加入另一种剧毒物质重铬酸盐，最终产品的LD50（大鼠经口）在10～15mg/kg，属于高毒物质，用在太阳能换热系统中存在很大的安全风险，是不应该使用的。而丙三醇的毒性是无毒，LD50（大鼠经口）为26000mg/kg，其水溶液也是安全无毒的。 　　6.密度差异 　　导热介质或者防冻液的密度虽然不能直接反映产品的各种性能，但是通过密度我们可以基本判断出产品的类型及组分，通过表2可了解到常用的抗冻剂的原始密度。 　　根据2009版《美国供暖制冷与空调工程师学会手册》提供的技术参数并结合我们的实践数据，我们总结出不同类型的导热介质在冰点-10～-45℃范围内密度区间，请参考表3。 　　注：具体冰点下某一类型导热介质密度的详细数据可向济南鼎隆化工科技有限公司的技术人员咨询。 　　根据表2和表3数据，我们应发现密度＜1.00g/cm3（20℃）的防冻液或导热介质，属于假冒伪劣产品，基本上为甲醇溶液，其作为汽车防冻液不符合NB/SH/T0521-2010的要求，作为太阳能导热介质更是不可能和不可接受的。 　　左图：冰点为-25℃的劣质防冻液的密度仅有0.957g/cm3（25℃）  右图：冰点为-25℃的太阳能专用导热介质的密度为1.085g/cm3（25℃） 　　7.pH值对比 　　pH值是表示水溶液酸性或碱性程度的数值，在常温（25℃）下：1.中性水溶液，pH=7；2.酸性水溶液，pH＜7，pH值越小，表示酸性越强；3.碱性水溶液，pH＞7，pH值越大，表示碱性越强。 　　从基本的化学常识我们知道，铝是两性金属，既容易与酸发生反应，又容易与碱发生反应，在中性环境中较稳定；金属紫铜、黄铜、碳钢和不锈钢易在酸性环境中发生反应导致锈蚀，而在中性或弱碱性环境中稳定不易发生反应。 　　因此，在仅添加无机铝缓蚀剂偏硅酸钠的汽车防冻液，其pH值仅能做到7.0～7.5，以保证不对汽车冷却系统发生锈蚀，虽然说短期内不会发生腐蚀，但是经过长期高温运行，溶液很容易发生酸化，pH值转变为酸性，增加了发生锈蚀的风险，这是建议广大车主使用1～2年后就要更换汽车防冻液的主要原因。 　　针对太阳能换热系统的特点，导热介质的pH值在8～11为宜；对于使用铝压铸集热板的平板式太阳能，建议导热介质配方中添加高效的有机铝缓蚀剂，这样也可以做到在碱性环境中整个换热系统不易被锈蚀。 　　8.沸点对比 　　导热介质沸点的高低直接反映了整个换热系统的耐高温性能，这是保障整个系统安全运转的关键指标。在此我们有必要对导热介质的沸点进行一下剖析，决定产品沸点高低的是抗冻剂的沸点和助剂的添加情况，常用抗冻剂的沸点请参阅表4。 　　根据2009版《美国供暖制冷与空调工程师学会手册》提供的技术参数并结合实践数据，我们总结出不同类型的导热介质在冰点-10～-45℃范围内沸点区间，请参考表5。 　　注：具体冰点下某一类型导热介质沸点的详细数据可向济南鼎隆化工科技有限公司的技术人员咨询。 　　根据表4和表5数据，我们应该能断定出凡是沸点＜100℃的防冻液或导热介质，属于假冒伪劣产品，基本上为甲醇溶液或为甲醇水溶液与甘油水溶液的混合物（因乙醇的价位较高，接近于乙二醇的价格，可以排除乙醇溶液），既不符合NB/SH/T0521-2010的要求，也不能用作太阳能导热介质，此种类型的导热介质危害如前文所述。乙二醇、丙二醇、丙三醇的水溶液作为导热介质时，沸点均在100℃以上。对比图如下： 　　左图：冰点为-25℃的劣质防冻液的沸点仅有82℃ 右图：冰点为-25℃的太阳能专用导热介质的沸点达到108℃ 　　9.缓冲及长效性能对比 　　导热介质缓冲性能的高低决定其是否具备长效性，缓冲性能的高低体现在pH值和储备碱度两个方面，pH值和储备碱度数值越大，水溶液的缓冲性能越高，反之，水溶液的缓冲性能越低。调节导热介质的pH值和储备碱度，并不是简单的在溶液中加入火碱或者纯碱，这两种物质加入后，虽然能改善溶液的缓冲性能，但却增加了腐蚀风险性。因此，在体系中必须加入既能提高溶液pH值和储备碱度又能起到缓蚀效果的高效缓冲助剂。 　　汽车防冻液或者基于汽车防冻液配方的导热介质，其pH值在7左右，基本上没有添加缓冲助剂，容易在高温下运行一段时间后呈酸性状态，有发生锈蚀的风险。所以，在较短的一到两年使用期限达到后就必须进行更换。相比较于汽车冷却系统更换防冻液，平板式太阳能换热系统要是一两年就更换导热介质，既需要专用工具又要提供繁杂的售后上门服务，显然是不合适而且难度比较大的，因此，太阳能专用导热介质需要具备长效性能。在太阳能专用导热介质的配方中，我们添加了高效缓冲助剂，能保证溶液长时间处于适宜的pH值和储备碱度，防止导热介质发生酸化，其长效性能是完全可以做到的。 　　综上所述，太阳能专用导热介质并不是简单的防冻液，防冻只是最基本的一个性能要求，其他多方面性能也不可忽视的，因为每一个环节的性能对太阳能换热系统的影响都是至关重要的。（山东小鸭新能源科技有限公司/王刚、济南鼎隆化工科技有限公司/田胜军）