Teplonosná kapalina

V kapalinových celoročně provozovaných solárních soustavách se používají nemrznoucí směsi s ohledem na ochranu soustavy v zimním období před poškozením mrazem. V naprosté většině solárních soustav se jedná o vodní směsi (mono)propylenglykolu, který je oproti dříve používanému etylenglykolu nejedovatý. Nemrznoucí směsi se zpravidla používají v objemovém ředění 40-50 % propylenglykolu podle požadované teploty tuhnutí. V současné době jsou k dispozici jednak klasicky inhibitované směsi pro použití v plochých kolektorech (stagnační teploty pod 180 °C) a jednak pokročilé směsi s kapalnými inhibitory umožňující použití v trubkových vakuových kolektorech (stagnační teploty do 250 °C). Přehled používaných nemrznoucích směsí uvádí tab. 1.

Tab. 1 - Vybrané teplonosné kapaliny na bázi vodní směsi propylenglykolu

Termofyzikální vlastnosti

Oproti vodě používané jako teplonosná kapalina v běžných otopných soustavách má vodní směs propylenglykolu jiné termofyzikální vlastnosti, především:

• nižší tepelnou kapacitu;
• nižší tepelnou vodivost;
• větší objemovou roztažnost;
• vyšší kinematickou viskozitu, nicméně s výraznou teplotní závislostí.

Znalost tepelně-fyzikálních vlastností nemrznoucí směsi je nutná pro stanovení tlakových ztrát v potrubí (viskozita, hustota), předávaného výkonu solární soustavy (měrná tepelná kapacita, hustota), návrhu expanzních nádob (hustota, součinitel objemové roztažnosti), atd. V současné době při použití výpočetní techniky jsou vhodnější modely jednotlivých vlastností v podobě polynomů, ze kterých je možné hodnoty vlastností stanovit pro uvažované teplotní podmínky. Níže jsou uvedeny obecné tvary polynomů a v tab. 2 jsou příslušné konstanty pro vodní směsi propylenglykolu [1].

Termodynamickou teplotu tuhnutí T_t [K] lze stanovit z rovnice

ξ je hmotnostní koncentrace glykolu v roztoku [-].

Hustotu, tepelnou vodivost a měrnou tepelnou kapacitu lze vypočítat podle obecného polynomu, kde daná vlastnost je reprezentována členem P_x

Podobný polynom je použitelný pro dynamickou vizkozitu a Prandtlovo číslo

Tab. 2 - Parametry polynomů pro vlastnosti vodní směsi propylenglykolu [1]

Koroze

Současné vodní směsi propylenglykolu obsahují inhibitory koroze. Inhibitory, rozpuštěné v kapalině, umožňují zamezit korozi vytvořením tenké ochranné vrstvy na povrchu kovů. Zatímco solární soustavy obsahují různé materiály (měď, bronz, ocel, litina), v současné době není k dispozici univerzální inhibitor a problém se zpravidla řeší kombinací několika různých (organických, anorganických) inhibitorů s ochranným potenciálem pro specifický kov. Pro zajištění ochrany proti korozi je nutné odstranit z kapaliny plyny (řádné odvzdušnění), používat pro rozvody materiály s nízkým vzájemným elektrochemickým potenciálem a udržet pH kapaliny nad hodnotou 7.

Stárnutí

Teplonosná kapalina může v souvislosti s možným přehříváním vlivem stavů bez odběru tepla z kolektorů (stagnace) zejména v letním postupně degradovat. U propylenglykolu dochází vlivem nadměrného tepelného zatížení k rozkladu v důsledku oxidačních reakcí, tvoří se kyseliny, a při opakovaném přehřívání dochází k poklesu pH kapaliny z původní hodnoty okolo 8 pod hodnotu 7 (mezní hodnota 6,8), což se projevuje změnou barvy (tmavnutí kapaliny). Rychlost degradace propylenglykolu je přímo úměrná teplotním stresům a obsahu kyslíku. Proto se doporučuje sledovat hodnotu pH, případně bod tuhnutí (refraktometry) pro včasnou výměnu a ochranu solárního okruhu před zvýšenou korozí.

[1] Conde, M.: Thermophysical properties of brines - Models, Conde Engineering, http://www.mrc-eng.com, Zurich 2002.