太阳能专用导热介质与汽车防冻液的区别

1 太阳能专用导热介质与汽车防冻液的区别太阳能专用导热介质与汽车防冻液的区别 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 李 刚 众所周知 在我国的太阳能行业中真空管式太阳能热水器占有绝对优势 分体式太阳能市场份额很小 据统计 目前平板式太阳能热水器市场占有率仅 有 10 左右 这一特点不同于全球太阳能市场中平板式太阳能热水器占据主流 的现象 十分具有中国特色 但近几年来这一局势正在发生着深刻变化 平板 式太阳能得到了快速发展 而普通的真空管式太阳能下滑速度非常之快超乎寻 常 综其原因有以下几点 一是我国的地少人多的国情决定了城镇化过程中必 须要走高层住宅的道路 既保障了住房这一民生需要 又实现了节约用地 提 高了土地的利用效率 高层住宅的大量兴建必然限制了太阳能一体机的使用 只能在平板式 或分体式 太阳能这一选项上做出抉择 二是我国空气污染严 重 太阳能与建筑一体化是节能减排和改善大气环境的一项重要举措 因平板 式太阳能具有平面结构 良好的承压性能 系统稳定 安全耐用 易与建筑物 美观性相统一等特点 决定了其将取代一体机占据主流的必然趋势 三是平板 太阳能热水器经过了几十年的发展 技术已经更趋成熟和完善 热效率有了大 幅度的提高 我国的平板式太阳能热水器迎来了长足发展的黄金时期 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 在诸如保温 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 但很多厂家没有关注导热介质这一关键环节的影响 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 相信太阳能行业的广大同 仁都了解或者听说过近三年内几起太阳能工程出现水箱锈蚀发生泄漏的情况 在此不便一一赘述 其中最主要的原因选择了劣质的导热介质 大部分为产 品质量良莠不分 参差不齐的汽车防冻液 非但没有起到缓蚀的效果 反而加 速了水箱夹套和铜管的锈蚀 最终酿成了 千里之堤毁于蚁穴 的质量事故 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的参考 1 抗冻剂的对比 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 2 业标准的原料以乙二醇为主 不符合标准的防冻液之原料可谓五花八门 这其 中可能包含甲醇 甘油或者低分子醇 一种价格低廉 比重可达 1 35 的不明物 质 报价也很低 从 3 3 元 kg 至 5 5 元 公斤都有 若以甘油为原料还好点 除了有一定缺点外还可以用 可见此前文章 浅析导热介质的性能及优劣衡量 但若用其他两种物质 防冻液质量就另当别论了 在此我们以 25 的汽车防 冻液为例简单的核算一下成本 现在乙二醇的价格 含运费到厂价 约为 7200 元 吨 乙二醇比例约在 45 包装成本约在 1000 元 吨 各种助剂总成本约在 800 元 吨 其他成本 人工 设备 厂房等 约在 500 元 吨 在不加利润的情 况下总成本已接近了 5500 元 吨 那低于这个价格的产品原料是否为乙二醇不 言而喻了 实验表明 防冻液中一旦含有甲醇有以下隐患 一是甲醇的存在增 大了防冻液的腐蚀性 二是防冻液的沸点只有 80 90 根本不适于太阳能系统 使用 三是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 四是在系统非密封的 情况下 甲醇常温下就易挥发 更不用说高温下的挥发速度 加注到太阳能系 统中后 随着甲醇的挥发 导热介质的冰点也随之升高 本来冰点是 25 但 冰点最终可能上升至零下十几度 整个系统冻裂的风险性非常大 至于低分子 醇 不知其到底是何物 无法评价防冻液的各种性能及隐患 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处于高位运行 成本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 冰点的对比 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 在针对不同地区时无法进行细致的划分 我们在 长期实践的基础上 根据经验提出如下观点 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 我们建议进行如下划分 仅供参考 还可以因地制宜进行更细致的划分 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 3 冰点为 25 的导热介质 5 东三省根据不同地区特点确定更低冰点的导热 介质 进行如此划分 我们基于如下两点考虑 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 成本越低 因此可以 降低采购成本 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 针对材质的对比 根据常识我们知道 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 其中铸铝是系统中的大部分零件的材质 铸铝 件是最易受腐蚀和容易损坏的环节 因此 汽车防冻液的缓蚀和 pH 值设计主 要针对铸铝 并且还要全面的对其他金属腐蚀进行预防 目前 在分体式太阳 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 缓蚀助剂的对比 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 根据中华人民共和国石油化工行业标准 NB SH T 0521 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 4 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 更 加剧了腐蚀的发生 太阳能换热系统很容易发生腐蚀从而泄漏损坏 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 因此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 毒性的对比 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 一般用每公斤体重所使用的毒物毫克数表示 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 分级如下 剧毒 LD50 大鼠经口 5mg kg 高毒 5mg kg LD50 大鼠经口 50mg kg 中等毒性 50mg kg LD50 大鼠经口 500mg kg 低毒 500mg kg LD50 大鼠经口 5000mg kg 微毒 5000mg kg LD50 大鼠经口 15000mg kg 无毒 LD50 大鼠经口 15000mg kg 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 万一发生泄露时有与水 饮食和个人皮肤等混合或接触的风险存在 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 5900mg 13400mg kg 丙二醇的毒性是无毒 大鼠经口 LD50为 20000mg kg 两者与水混合制备成导热介质后在不添加有毒的助剂前 提下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 T 0521 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 5 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 很显然是不合适和不应该使用的 另外 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 我们通过表 1 可了解到常用的抗 冻剂的原始密度 表 1 常用的基础抗冻剂密度对比表 25 g cm3 抗冻剂甲醇乙醇乙二醇丙二醇丙三醇 密度0 7910 7891 1171 041 263 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 到 45 范围 内密度区间 请参考表 2 表 2 不同类型的导热介质密度区间 冰点 10 至 45 20 g cm3 导热介质密度 乙二醇型1 04 1 09 乙二醇为基础多元醇型1 06 1 13 丙二醇型1 03 1 06 丙二醇为基础多元醇型1 05 1 10 丙三醇型1 08 1 16 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 1 和表 2 数据 我们应该能断定出凡是密度小于 1 00g cm3 20 的防冻液或导热介质 是绝对的假冒伪劣产品 基本上为甲醇溶液 其作为汽 车防冻液不符合行业标准 NB SH T 0521 2010 的要求 作为太阳能导热介质更 是不可能和不可接受的 我们从某一著名平板太阳能生产厂家拿到其使用的 25 导热介质 据说是乙二醇型的 经检测密度与乙二醇型防冻液比较接近 但是沸点只有 85 并且沸点不固定持续升高 根据化学常识我们知道 当溶 液达到沸点时温度基本保持不变 直至大部分溶液挥发掉后温度才会发生明显 变化 因此我们判定该产品应该为甲醇水溶液和甘油水溶液的混合物或者甲醇 水溶液和密度大的多元醇水溶液的混合物 此类产品的危害前文已有交代 足 以达到以假乱真的目的 可见 我们一定对导热介质的各项性能指标进行全面 的检测 不能被一些表面现象所迷惑而断定是哪一类产品 6 7 pH 值的对比 pH 值是表示水溶液酸性或碱性程度的数值 在常温下 25 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 沸点的对比 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 3 表 3 常用的基础抗冻剂沸点对比表 1 个标准大气压下 抗冻剂甲醇乙醇乙二醇丙二醇丙三醇 沸点64 578 4197 4188 2290 9 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 到 45 范围 内沸点区间 请参考表 4 表 4 不同类型的导热介质沸点区间 冰点 10 至 45 1 个标准大气 压 导热介质沸点 乙二醇型104 110 乙二醇为基础多元醇型105 113 丙二醇型103 108 丙二醇为基础多元醇型105 112 丙三醇型110 以上 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 7 有限公司的技术人员咨询 根据表 3 和表 4 数据 我们应该能断定出凡是沸点低于 100 的防冻液或 导热介质 是绝对的假冒伪劣产品 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 既不符合行业标准 NB SH T 0521 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