李 杰,侯錦鋒,姜 燕,蔡淑紅，蘇玲燕

(中國船舶重工集團公司第七一八研究所第三研究室，河北 邯鄲 056027)

近年來，隨著國家節(jié)能減排政策的引導(dǎo)，再加上一些地方“強裝令”的實施，平板太陽能熱水器在高層建筑上得到了廣泛應(yīng)用。太陽能導(dǎo)熱介質(zhì)作為其中的“血液”，作用非常重要。導(dǎo)熱介質(zhì)并不是簡單的防凍液，防凍只是最基本的一個性能要求，防腐、低毒、穩(wěn)定和換熱等多方面性能也是必須的，對于太陽能換熱系統(tǒng)的影響也是至關(guān)重要的。導(dǎo)熱介質(zhì)按防凍劑類型可以分為乙二醇型、丙二醇型和丙三醇型(其他甲醇、乙醇等混醇型不在討論范圍)，現(xiàn)將這三種類型導(dǎo)熱介質(zhì)分別做下簡單介紹，以期對大家選擇優(yōu)質(zhì)導(dǎo)熱介質(zhì)有所幫助。

1 乙二醇型導(dǎo)熱介質(zhì)

1.1 乙二醇簡介

乙二醇(Ethylene glycol)又名“甘醇”，化學(xué)式為(HOCH2)2，是最簡單的二元醇。乙二醇是無色、透明、稍有甜味和具有吸濕性的粘稠液體，主要用作溶劑、防凍劑、載冷劑、冷凝劑以及合成滌綸的原料等。乙二醇的吸水性強，儲存的容器應(yīng)密封；乙二醇使用中產(chǎn)生酸性物質(zhì)，對金屬具有腐蝕性，配制的導(dǎo)熱介質(zhì)中，還必須有防腐劑，以防止對金屬腐蝕。派瑞導(dǎo)熱介質(zhì)采用滌綸級乙二醇，純度≥99.9%。

1.2 乙二醇型導(dǎo)熱介質(zhì)的物性

密度、比熱容、黏度和導(dǎo)熱系數(shù)都是影響乙二醇型導(dǎo)熱介質(zhì)換熱性能的重要參數(shù)。物性數(shù)據(jù)見表1。

表1 乙二醇型導(dǎo)熱介質(zhì)的物性

注：引用《汽車冷卻液-化學(xué)工業(yè)出版社》

乙二醇的一個突出特性是能夠與水以任意比例互溶，在一定濃度范圍內(nèi)大大降低水的冰點。雖然乙二醇水溶液的防凍作用不是最好的，但各項性能均衡，適合于作為導(dǎo)熱介質(zhì)防凍劑使用。

2 丙二醇型導(dǎo)熱介質(zhì)

2.1 丙二醇簡介

丙二醇(Propylene glycol)化學(xué)式為C3H8O2，有兩種異構(gòu)體1,2-丙二醇和1,3-丙二醇，一般指1,2-丙二醇。丙二醇是無色粘稠穩(wěn)定的吸水性液體，幾乎無味無臭，與水、乙醇及多種有機溶劑混溶，無毒，因而在食品、醫(yī)藥和化妝品工業(yè)中廣泛用作吸濕劑、抗凍劑、潤滑劑和溶劑。醫(yī)藥級丙二醇價格太高，主要用在醫(yī)藥和化妝品行業(yè)。派瑞導(dǎo)熱介質(zhì)采用工業(yè)優(yōu)級品丙二醇(純度≥99.5%)，可以滿足太陽能導(dǎo)熱介質(zhì)的要求。

2.2 丙二醇型導(dǎo)熱介質(zhì)的物性

密度、比熱容、黏度和導(dǎo)熱系數(shù)都是影響丙二醇型導(dǎo)熱介質(zhì)換熱性能的重要參數(shù)。物性數(shù)據(jù)見表2。

表2 丙二醇型導(dǎo)熱介質(zhì)的物性

注：引用《汽車冷卻液-化學(xué)工業(yè)出版社》

丙二醇型導(dǎo)熱介質(zhì)隨著丙二醇體積分數(shù)的增加冰點不斷下降，防凍性能、傳熱性能及橡膠相容性方面與乙二醇型介質(zhì)沒有明顯差別，但在抗氣蝕、毒性及生物降解方面則有著乙二醇型介質(zhì)無法比擬的優(yōu)勢。丙二醇型導(dǎo)熱介質(zhì)毒性低，對人、畜沒有明顯的危害。在廢水處理廠對乙二醇和丙二醇型冷卻液進行處理時發(fā)現(xiàn)，丙二醇更容易生物降解。丙二醇在五天時間內(nèi)降解了69%，而乙二醇只降解了36%。因此，從毒性和生物降解的角度看，丙二醇型導(dǎo)熱介質(zhì)要明顯優(yōu)于乙二醇型介質(zhì)。當(dāng)然，丙二醇型導(dǎo)熱介質(zhì)的價格也比乙二醇型導(dǎo)熱介質(zhì)高很多。

3 丙三醇型導(dǎo)熱介質(zhì)

3.1 丙三醇簡介

丙三醇(Glycerol)，俗稱“甘油”，化學(xué)式為C3H8O3，是無色、無臭、味甜粘稠液體，能從空氣中吸收潮氣，遇強氧化劑如三氧化鉻、氯酸鉀、高錳酸鉀能引起燃燒和爆炸。國內(nèi)甘油生產(chǎn)主要由天然油脂的皂化反應(yīng)制得，由于水解不完全，含有各種雜質(zhì)。甘油作為生物柴油的副產(chǎn)物，價格相對較低，也有很好的降低冰點的作用，但是黏度大，受熱易分解，產(chǎn)生酸性物質(zhì)。

3.2 丙三醇型導(dǎo)熱介質(zhì)的物性

密度、比熱容、黏度和導(dǎo)熱系數(shù)都是影響丙三醇型導(dǎo)熱介質(zhì)換熱性能的重要參數(shù)。物性數(shù)據(jù)見表3。

表3 丙三醇型導(dǎo)熱介質(zhì)的物性

注：引用《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊》

丙三醇型導(dǎo)熱介質(zhì)在防凍性、傳熱性方面與乙二醇型和丙二醇型介質(zhì)沒有明顯差別，但是丙三醇有其致命的缺點，一方面易氧化酸化，受熱易分解，導(dǎo)致介質(zhì)變質(zhì)發(fā)臭；另一方面黏度也較大，會降低介質(zhì)的流動性和傳熱效果，尤其在低溫環(huán)境下更明顯。

4 三種類型導(dǎo)熱介質(zhì)性質(zhì)對比

4.1 乙二醇、丙二醇和丙三醇物性對比

乙二醇、丙二醇和丙三醇的物性數(shù)據(jù)見表4。

表4 乙二醇、丙二醇和丙三醇的物性

注：引用《汽車冷卻液-化學(xué)工業(yè)出版社》

從表4可以看出，丙三醇的黏度比乙二醇和丙二醇的黏度大很多，使得丙三醇型導(dǎo)熱介質(zhì)的流動性和換熱性比乙二醇型和丙二醇型介質(zhì)要差一些，尤其在低溫環(huán)境下更明顯。另外，丙三醇易氧化酸化，受熱易分解，使得丙三醇型導(dǎo)熱介質(zhì)的使用壽命比乙二醇型和丙二醇型介質(zhì)要短很多。

4.2 三種類型導(dǎo)熱介質(zhì)物性對比

三種類型導(dǎo)熱介質(zhì)物性對比 見表5。

表5 三種類型導(dǎo)熱介質(zhì)物性對比

注：引用《ASHRAE手冊2005》

4.3 三種類型導(dǎo)熱介質(zhì)毒性對比

太陽能熱水器作為民用產(chǎn)品，對導(dǎo)熱介質(zhì)的毒性有明確要求?，F(xiàn)將工業(yè)化學(xué)品的急性毒性分級標(biāo)準(zhǔn)做下簡單介紹。

表6 急性毒性分級標(biāo)準(zhǔn)

注：引用《工業(yè)化學(xué)品毒性鑒定規(guī)范及實驗方法》

從表6可以看出，工業(yè)化學(xué)品毒性的最低標(biāo)準(zhǔn)為低毒類，廠家宣稱導(dǎo)熱介質(zhì)為無毒產(chǎn)品，其實是在誤導(dǎo)消費者。有廠家稱乙二醇毒性大，派瑞乙二醇型導(dǎo)熱介質(zhì)經(jīng)河北省疾病預(yù)防控制中心毒理所檢測，LD50>10000mg/kg體重，按《化學(xué)品毒性鑒定技術(shù)規(guī)范》評價，屬低毒物。派瑞丙二醇型導(dǎo)熱介質(zhì)經(jīng)河北省疾病預(yù)防控制中心毒理所檢測，LD50>10000mg/kg體重，按《化學(xué)品毒性鑒定技術(shù)規(guī)范》評價，屬低毒物。

乙二醇的急性經(jīng)口毒性：經(jīng)口半數(shù)致死劑量LD50為8000mg～15300mg/kg(小鼠經(jīng)口)，屬低毒類。丙二醇的LD50為32000mg/kg(小鼠經(jīng)口)屬低毒類。丙三醇的LD50為31500mg/kg(小鼠經(jīng)口)，屬低毒類。

注：經(jīng)口半數(shù)致死劑量為經(jīng)口一次或24h內(nèi)多次經(jīng)口給予受試樣品后，引起實驗動物總體中半數(shù)死亡的毒物的統(tǒng)計學(xué)劑量。以單位體重接受受試樣品的質(zhì)量(g/kg)LD50來表示。

5 結(jié)語

對丙二醇型、乙二醇型和丙三醇型導(dǎo)熱介質(zhì)在穩(wěn)定性、毒性、價格和換熱效果方面做對比，它們的優(yōu)劣排序可參考表7。

表7 三種類型導(dǎo)熱介質(zhì)排序

綜上所述,乙二醇型介質(zhì)的沸點高、黏度適中、毒性低、熱穩(wěn)定性好且性價比高，在導(dǎo)熱介質(zhì)中使用最為普遍。近年來，隨著環(huán)保意識的加強，一些大的太陽能廠家要求進一步降低導(dǎo)熱介質(zhì)的毒性，丙二醇型導(dǎo)熱介質(zhì)的使用在逐步增加。丙三醇型介質(zhì)由于易氧化酸化和分解，容易變質(zhì)發(fā)臭，而且黏度較大降低介質(zhì)的傳熱效果，因此不建議使用。