濟(jì)南鼎隆化工科技有限公司 田勝軍
山東力諾瑞特新能源有限公司 馬保林
近年來(lái)隨著世界能源價(jià)格的不斷上漲和全世界環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，面對(duì)嚴(yán)峻的節(jié)能減排形勢(shì)，我國(guó)正在大力發(fā)展和利用清潔的可再生資源，太陽(yáng)能熱水器與建筑一體化是一個(gè)極為重要選項(xiàng)。結(jié)合我國(guó)的實(shí)際情況，城鎮(zhèn)化過(guò)程中高層建筑的興建是應(yīng)對(duì)我國(guó)人口眾多和土地緊張的重要舉措，從而帶動(dòng)了壁掛式太陽(yáng)能熱水器的蓬勃發(fā)展，近幾年來(lái)隨著平板式太陽(yáng)能熱水器的技術(shù)提高和成熟，國(guó)內(nèi)平板太陽(yáng)能行業(yè)進(jìn)入了高速發(fā)展期，年均增長(zhǎng)率同比增長(zhǎng)在50%以上。
據(jù)上所述，相關(guān)的配件及原料需求量大增，其中壁掛式太陽(yáng)能專(zhuān)用導(dǎo)熱介質(zhì)作為影響熱水器熱效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)卻被眾多壁掛式太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)廠家忽視，簡(jiǎn)單的拿汽車(chē)防凍液加注到系統(tǒng)中，這樣會(huì)帶來(lái)諸多隱患（具體內(nèi)容請(qǐng)見(jiàn)《不同體系導(dǎo)熱介質(zhì)的對(duì)比》）。目前關(guān)于太陽(yáng)能專(zhuān)用導(dǎo)熱介質(zhì)沒(méi)有國(guó)標(biāo)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可參考，本文結(jié)合2009版《美國(guó)供暖制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)手冊(cè)》將對(duì)太陽(yáng)能專(zhuān)用導(dǎo)熱介質(zhì)所應(yīng)具備的性能和產(chǎn)品的優(yōu)劣衡量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析，以期能引起行業(yè)內(nèi)有識(shí)之士關(guān)注和重視。
1、對(duì)環(huán)境友好
出于環(huán)境保護(hù)和對(duì)人身安全的考慮，對(duì)環(huán)境友好這一特性是對(duì)導(dǎo)熱介質(zhì)的最基本要求，這包括兩方面的要求：一方面是產(chǎn)品必須環(huán)保，對(duì)外界環(huán)境不會(huì)造成污染或者不利影響，比如配方中盡量避免使用磷酸鹽以免造成水資源的富氧化；另一方面是產(chǎn)品必須安全無(wú)毒，作為與人們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的產(chǎn)品，萬(wàn)一泄漏時(shí)不能危害人的身體，這就要求生產(chǎn)導(dǎo)熱介質(zhì)的原料做到無(wú)毒或者低毒，因此配方中不得含有鉻酸鹽、亞硝酸鹽等劇毒物質(zhì)。該項(xiàng)性能的衡量指標(biāo)應(yīng)該符合LD50>22000mg/kg（大鼠經(jīng)口）。
2、適宜的抗凍劑
防凍性能是導(dǎo)熱介質(zhì)的基礎(chǔ)指標(biāo)，與該項(xiàng)指標(biāo)密切相關(guān)的是抗凍劑，抗凍劑是指能溶于水中而又能降低水的冰點(diǎn)物質(zhì)，這些物質(zhì)主要分為無(wú)機(jī)鹽和有機(jī)醇兩大類(lèi)：
無(wú)機(jī)鹽類(lèi)比如氯化鈉、氯化鈣等等，該類(lèi)溶液缺點(diǎn)是冰點(diǎn)降低有限，更嚴(yán)重的是具有很大的腐蝕性，不適于太陽(yáng)能系統(tǒng)使用。有機(jī)醇類(lèi)包括甲醇、乙醇、乙二醇、丙二醇、甘油和其它低碳多元醇，其中由于甲醇和乙醇沸點(diǎn)和閃點(diǎn)都太低，易揮發(fā)，熱穩(wěn)定性和抗凍能力也較差；甘油作為抗凍劑時(shí)濃度高、粘度大、泡沫多等缺點(diǎn)也限制了其應(yīng)用，因此生產(chǎn)中不宜采用甲醇、乙醇和甘油；乙二醇和丙二醇是最適宜的兩種抗凍劑，其中由于丙二醇無(wú)毒的特性，目前丙二醇體系的水溶液是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用最廣的采暖、制冷以及空調(diào)等專(zhuān)用的制冷劑。
目前，市面上有針對(duì)汽車(chē)防凍液的冰點(diǎn)測(cè)定儀，該種儀器是利用光學(xué)原理對(duì)防凍液中乙二醇含量進(jìn)行測(cè)定，誤差較大，對(duì)于其他體系或者非純乙二醇型防凍液的冰點(diǎn)無(wú)法測(cè)量，因此，科學(xué)的冰點(diǎn)測(cè)定方法如下：將產(chǎn)品試樣45ml注入試管中，裝好螺旋攪拌棒和低溫標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)，并用軟木塞塞好，置入制冷器的冷阱中，試管底部距冷阱底面不少于20mm，接通電源，將制冷溫度調(diào)至所需數(shù)值，即可測(cè)定冰點(diǎn)。
3、長(zhǎng)效性能
導(dǎo)熱介質(zhì)應(yīng)用于壁掛式太陽(yáng)能閉式循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)有其特殊性，不可能像汽車(chē)防凍液那樣一兩年內(nèi)就要更換，必須做到8-10年內(nèi)不會(huì)變質(zhì)和各種性能的衰減，亦即產(chǎn)品要具備長(zhǎng)效性。本性能的測(cè)定可以通過(guò)保持高溫下（180℃）三個(gè)月的方法進(jìn)行加速氧化、酸化實(shí)驗(yàn)，測(cè)定導(dǎo)熱介質(zhì)各種性能的變化和衰減情況以衡量產(chǎn)品是否具備長(zhǎng)效性能。
4、緩蝕性能
該性能是衡量導(dǎo)熱介質(zhì)優(yōu)劣的主要指標(biāo)之一，壁掛式太陽(yáng)能熱水器的閉式循環(huán)系統(tǒng)金屬材質(zhì)為碳鋼和黃銅，因此，導(dǎo)熱介質(zhì)應(yīng)該針對(duì)性的對(duì)這兩種金屬長(zhǎng)效緩蝕，并不能像汽車(chē)防凍液那樣針對(duì)多種金屬進(jìn)行全面的短效緩蝕，從技術(shù)的角度來(lái)講就是集中優(yōu)勢(shì)兵力解決好關(guān)鍵問(wèn)題。參考美國(guó)材料與試驗(yàn)學(xué)會(huì)（ASTM）的試驗(yàn)方法，該性能的檢測(cè)方法如下：將平板式太陽(yáng)能熱水器閉式循環(huán)系統(tǒng)中常用的四種金屬黃銅片、紫銅片、304不銹鋼片和碳鋼片（25cm×5cm）浸泡在導(dǎo)熱介質(zhì)中，在88℃下不斷通空氣336小時(shí)，試驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)定試片的重量變化，觀察試片及導(dǎo)熱介質(zhì)的外觀變化，質(zhì)量損失應(yīng)≤10mg/片。
5、阻垢性能
導(dǎo)熱介質(zhì)在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中必須要做到不能產(chǎn)生污垢，否則，污垢沉積在管道內(nèi)或夾套壁上，造成三個(gè)弊端：首先管道變窄阻力增大，導(dǎo)致導(dǎo)熱介質(zhì)流速降低影響換熱效率；其次水中的各種離子以鹽類(lèi)或堿類(lèi)形式附著在金屬表面，增加了銹蝕的風(fēng)險(xiǎn)；最后金屬表面沉積一層黃白色水垢后，影響金屬的導(dǎo)熱效果，降低導(dǎo)熱效率。
堿性條件下，水中的垢常有含Ca2+、Mg2+的CaCO3、MgCO3及Mg（OH）2沉淀，也有Ca2+、Mg2+、Na+的氯鹽，還含有Ca2+、Mg2+的硫酸鹽、硅酸鹽等。因此要提高導(dǎo)熱介質(zhì)的阻垢性能可從兩方面入手：一是配制溶液時(shí)使用去離子水，降低Ca2+、Mg2+在水中的含量是阻垢的最直接的途徑，其硬度要控制在15ppm以下，同時(shí)也要控制水的電導(dǎo)率（減少水中電解質(zhì)的含量）；二是添加適宜的阻垢劑以避免水垢的產(chǎn)生和附著。
6、酸堿度
酸堿度是衡量導(dǎo)熱介質(zhì)緩蝕性能的關(guān)鍵參數(shù)，導(dǎo)熱介質(zhì)必須控制在適宜的酸堿性才能起到緩蝕效果，其體現(xiàn)在如下兩項(xiàng)指標(biāo)：
（1）pH值
導(dǎo)熱介質(zhì)最適宜的pH值范圍為8-11，在此范圍內(nèi)溶液對(duì)各種金屬的腐蝕率最低。導(dǎo)熱介質(zhì)的pH值要堅(jiān)決避免小于7，否則，不但沒(méi)有緩蝕效果，溶液本身就對(duì)金屬發(fā)生腐蝕；pH值在7-9之間時(shí)雖然不會(huì)對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕，但是溶液容易向酸性轉(zhuǎn)變，緩蝕效率低；pH值高于11時(shí)，堿度太大，同樣增加了對(duì)金屬的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)和溶液的不穩(wěn)定性。pH值的粗略測(cè)量可用pH值廣泛試紙，可測(cè)出溶液的pH值區(qū)間；精確測(cè)量可采用pH值測(cè)量?jī)x（精度0.1）。
（2）儲(chǔ)備堿度
儲(chǔ)備堿度是指用濃度為c（HCl）=0.1000mol/L的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定10ml試樣至pH值為5.5時(shí)所需要的毫升數(shù)（精確到0.1mL），導(dǎo)熱介質(zhì)的儲(chǔ)備堿度因冰點(diǎn)的不同略有差異。該項(xiàng)指標(biāo)的測(cè)定方法概要：將10mL試樣（移液管準(zhǔn)確移取）用蒸餾水稀釋至約100mL，再用濃度為c（HCl）=0.1000mol/L的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液滴定至pH值為5.5。
試樣的儲(chǔ)備堿度V（mL）按下式計(jì)算：V=（c1×V1）/c2
式中：c1----鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的實(shí)際濃度，mol/L；
V1---試驗(yàn)所消耗的鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的體積，mL；
c2---鹽酸標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的規(guī)定濃度，即0.1000mol/L。
7、緩沖性能
導(dǎo)熱介質(zhì)的pH值緩沖性能是指溶液在加入少量酸或堿和水時(shí)能抵抗pH值改變的性能，這是延緩溶液使用壽命的重要手段，在溶液配制時(shí)要選擇適宜的助劑起到pH緩沖作用以保證導(dǎo)熱介質(zhì)的堿性。
8、防腐性能
導(dǎo)熱介質(zhì)中有大量的有機(jī)物存在，因此在使用及儲(chǔ)存中可能由于微生物的作用而發(fā)生霉變，導(dǎo)致產(chǎn)品的報(bào)廢。所以需要選擇適宜的防腐劑添加到體系中以保證產(chǎn)品不會(huì)腐敗。
9、防沸性能
沸點(diǎn)高低決定了導(dǎo)熱介質(zhì)的適用溫度區(qū)間，也是衡量產(chǎn)品防沸性能的重要指標(biāo)。因冰點(diǎn)的不同，每種規(guī)格的導(dǎo)熱介質(zhì)具有不同的沸點(diǎn)，基本上導(dǎo)熱介質(zhì)的沸點(diǎn)都應(yīng)在105-112℃之間（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下）。沸點(diǎn)的測(cè)定有常量法和微量法兩種方式，常量法測(cè)定沸點(diǎn)采用蒸餾裝置，在操作上與蒸餾相同，較簡(jiǎn)單易行；微量法操作麻煩，雖然精度高但不建議使用。
10、低泡性能
優(yōu)質(zhì)的導(dǎo)熱介質(zhì)應(yīng)該具備低泡性能。在高溫和強(qiáng)制循環(huán)的條件下，導(dǎo)熱介質(zhì)很容易產(chǎn)生泡沫，過(guò)多的泡沫會(huì)增加空氣在溶液中的溶解度從而加劇氣穴腐蝕，同時(shí)妨礙正常的循環(huán)和導(dǎo)熱，還易造成溢流損失，因此，在溶液配制過(guò)程中必須添加消泡劑加以控制泡沫傾向。簡(jiǎn)單易行的測(cè)定方法是取50mL試樣置于100mL的量筒中，在30秒內(nèi)上下劇烈搖動(dòng)100次，再使量筒靜止10秒后，在量筒上讀取泡沫所占的容積，泡沫體積應(yīng)小于4mL。
11、熱穩(wěn)定性
因?qū)峤橘|(zhì)長(zhǎng)時(shí)間在高溫狀態(tài)下運(yùn)行，要求其必須具備高溫時(shí)熱穩(wěn)定性，這包括三方面內(nèi)容：一是溶液組成中不能有沸點(diǎn)低于水的成分，譬如不能有甲醇、乙醇等易揮發(fā)組分；二是要求溶液中的助劑在高溫下不能產(chǎn)生沉淀或者膠體絮狀物析出，必須保持高溫狀態(tài)下溶液也為澄清透明液體；三是要求抗凍劑在高溫下不會(huì)發(fā)生炭化、氧化，否則會(huì)導(dǎo)致溶液變質(zhì)，因此經(jīng)多年實(shí)驗(yàn)證明的乙二醇、丙二醇等幾種低碳多元醇具備良好的熱穩(wěn)定性。
12、換熱效率
換熱效率的高低對(duì)整個(gè)壁掛式太陽(yáng)能系統(tǒng)換熱效果起著決定性作用，在其他外界條件相同的情況下衡量換熱效率的關(guān)鍵參數(shù)是導(dǎo)熱介質(zhì)的熱傳導(dǎo)率，對(duì)于不同冰點(diǎn)乙二醇水溶液和丙二醇水溶液的熱傳導(dǎo)率在相關(guān)的手冊(cè)中可查到數(shù)據(jù)（一般以20℃時(shí)的熱傳導(dǎo)率為參考數(shù)據(jù)，不必實(shí)際檢測(cè)），總體來(lái)講，這兩種類(lèi)型的水溶液隨著冰點(diǎn)的降低熱傳導(dǎo)率下降。純水是最好的導(dǎo)熱載體，其熱傳導(dǎo)率隨著溫度的升高而上升，而大部分有機(jī)醇的熱傳導(dǎo)率隨著溫度的升高而下降，但是乙二醇水溶液和丙二醇水溶液的熱傳導(dǎo)率的整體效果是隨著溫度的升高而上升，只不過(guò)上升的幅度很小。
13、警戒色
在導(dǎo)熱介質(zhì)中加入無(wú)毒的水溶性著色劑，以區(qū)別于一般的循環(huán)水，起到警示作用，另一方面也容易觀察到導(dǎo)熱介質(zhì)在循環(huán)系統(tǒng)中是否發(fā)生泄漏，警戒色以藍(lán)色或者紅色為主。
14、適宜的運(yùn)動(dòng)粘度
導(dǎo)熱介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度也是影響導(dǎo)熱介質(zhì)換熱效率的因素之一，導(dǎo)熱介質(zhì)應(yīng)當(dāng)具備一定的運(yùn)動(dòng)粘度以確保有良好的換熱效果，在低溫時(shí)應(yīng)當(dāng)連續(xù)流動(dòng)順暢，以便壁掛式太陽(yáng)能系統(tǒng)吸熱后盡快運(yùn)行；在高溫時(shí)也不至于粘度太低造成流動(dòng)速度太快，容易形成氣阻，導(dǎo)致?lián)Q熱性能降低。衡量導(dǎo)熱介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度一般以20℃時(shí)溶液的粘度為參考數(shù)據(jù)。
綜上所述，高品質(zhì)的太陽(yáng)能專(zhuān)用導(dǎo)熱介質(zhì)應(yīng)當(dāng)為集環(huán)保、長(zhǎng)效、防凍、防沸、低泡、熱穩(wěn)定性好和導(dǎo)熱效率高等多種優(yōu)異性能為一體的換能液。以上拙見(jiàn)是我們?cè)陂L(zhǎng)期研發(fā)過(guò)程中知識(shí)的積累和總結(jié)，愿與廣大同仁和客戶(hù)一同深入探討和研究。
