太阳能热水系统专用导热介质
一、太阳能热水系统专用导热介质的性能
4、缓蚀性能
针对太阳能换热系统内的金属材质碳钢、紫铜、黄铜和不锈钢进行专业防止腐蚀，应符合美国材料与试验学会ASTM D1384的要求。
5、阻垢性能
产品中应该添加适宜的阻垢剂，避免长时间高温运行后产生“水垢”附着在管道壁或夹套壁上，造成危害。
6、适宜的酸碱度
长效导热介质在酸碱度方面应该达到如下两点要求：(1)pH值应该在9-11之间；(2)储备碱度应在10ml以上。
7、缓冲性能
在产品中应该加入适宜的缓冲助剂起到pH值缓冲作用以保证导热介质的碱性。
8、防腐性能
导热介质中含有大量的有机物，应当添加适宜的防腐剂预防产品腐败变臭。
9、防沸性能
常规的太阳能专用导热介质的沸点应该在105℃以上，绝对禁止导热介质的沸点低于水的沸点亦即100℃。
10、低泡性能
过多的泡沫会增加空气与金属表面的接触，从而加剧腐蚀的发生，还造成其他不良后果，导热介质应当具备低泡性。
11、稳定性能
导热介质无论在低温、常温和高温下，都应该是均一的溶液，不得有易挥发组分，不能产生沉淀或者胶体絮状物，组分高温下不得易炭化或者氧化，以免产品变质。
12、较高的换热效率
导热介质的换热储能是关键性能，选用适宜的组分和配方，提高导热介质的换热效率。
13、警戒色
导热介质应该为有醒目颜色的溶液，以区别于水，避免误食误用和万一发生泄漏时及时发现。
“太阳能集热器”质量检测及评析、推荐活动讲解暨平板型太阳能热利用产品技术交流会会议现场
二、不同类型导热介质的对比
众多平板太阳能生产厂家没有关注导热介质对于换热系统的影响，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。此次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
适宜的抗冻剂见前述内容。
目前，有很多生产汽车防冻液的厂家用甲醇和甘油与水复配成密度接近于乙二醇型导热介质，实验表明，防冻液中一旦含有甲醇有诸如沸点低、冰点上升、加速腐蚀和系统易被冻裂等风险。
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，具体划分和优点请见会议资料。
3、针对材质的对比
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，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。详细分析请见会议资料。
4、缓蚀助剂的对比
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，配方中添加的缓蚀助剂主要是偏硅酸钠和亚硝酸钠，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。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。
5、毒性的对比
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。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、pH值的对比
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。汽车防冻液的pH值仅能做到7.0-7.5，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。
7、缓冲及长效性能的对比
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，显然是不合适和难度比较大的，因此，太阳能专用导热介质需要具备长效性能，不应该在短短的几年内就对导热介质进行更换。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，其他多方面性能也是必须的，对于太阳能换热系统的影响也是至关重要的。此前，很多太阳能厂家可以说“无知者无畏”，对导热介质不重视，但愿通过本篇文章能给广大同仁敲响警钟，平板太阳能的质量是全方面的，导热介质的质量也是其中的关键一环。
三、太阳能换热系统的腐蚀及预防
目前，大部分间接式太阳能热水系统的金属材质主要为紫铜、黄铜、碳钢和不锈钢；有极个别的厂家在尝试铝压铸流道的集热板，但这不是主流，存在很多隐患。下面就每种材质的腐蚀问题逐项说明。
1、铜的腐蚀及预防
在换热系统中用到的铜分为紫铜和黄铜，紫铜通常为纯铜，黄铜为铜锌合金(铜的含量超过80%)。紫铜具有良好的导热性、焊接性、柔韧性和耐蚀性，黄铜色泽美观，具有良好的工艺和力学性能，导热性较高，在大气、淡水和海水中耐腐蚀，易切削和抛光。
在电化学顺序中，铜的标准电极电位为+0.35V，其热力学稳定性较高，不会发生氢的去极化反应，被列为耐腐蚀金属之一，但是在湿度较高、腐蚀性介质(如含二氧化硫的空气、含氧的水、氧化性酸以及在含有CN-、NH4+等能与铜形成络合离子的液体)中，铜则发生较为严重的腐蚀。铜合金表现出比纯铜更高的耐腐蚀性。铜合金在一般介质中以均匀腐蚀为主，在有氨存在的溶液中有较强的应力腐蚀敏感性，也存在电偶腐蚀、点蚀、磨损腐蚀等局部腐蚀形式。黄铜脱锌是铜合金独有的腐蚀形式，就太阳能换热系统而言，黄铜发生此种腐蚀的几率很小。
针对以上情况，预防铜发生腐蚀应该采取如下措施：(1)保持溶液的适度碱性，避免酸化；(2)环境的湿度高是无法避免的，必须添加高效的铜专用有机缓蚀剂以降低腐蚀率；(3)避免导热介质溶液中含有能使铜发生络合反应的离子，也就是说在体系内避免NH4+等离子的存在；(4)降低导热介质溶液中氧的含量。
2、碳钢的腐蚀及预防
碳钢在酸性条件下容易发生腐蚀，在碱性条件下较稳定，但也会存在如下几种腐蚀的可能性：(1)均匀腐蚀，这种腐蚀形态表现为与导热介质接触的整个金属表面上的几乎以相同的速度进行腐蚀，少数碳钢如10CrMoAl的腐蚀为此状态，该种腐蚀不可完全避免，但可以降低腐蚀速率；(2)局部腐蚀，表现为点蚀(金属表面产生点状或坑状腐蚀，且从表面像内部扩展，形成孔穴)或蜂窝状腐蚀(蚀点或蚀坑毗连成片，向纵深发展形成类似蜂窝形状)，形成原因是受局部微电池作用的结果；(3)电偶腐蚀，如果太阳能系统为夹套式换热，那碳钢与铜管有可能形成电偶腐蚀，这是由于不同电极电位的两种金属在导热介质这种电解质溶液中相互接触时产生电位差，而构成宏电池导致腐蚀。
预防措施：(1)控制导热介质的pH值在9-11之间，以保证碳钢的稳定环境；(2)选用易发生均匀腐蚀的碳钢牌号，尽量避免使用易发生点蚀的碳钢牌号；(3)添加特效的碳钢专用缓蚀助剂，抑制腐蚀的发生；(4)在与铜管连接时，尽量做到绝缘，降低电偶腐蚀发生的概率。
3、不锈钢的腐蚀及预防
从大家的观念中以为不绣钢有着良好的防腐蚀效果，要优于碳钢，但是在氯离子存在的情况下，这一观念被彻底颠覆了。不锈钢在碱性导热介质中可能发生的腐蚀基本特征为局部腐蚀，腐蚀状态主要有点蚀和缝隙腐蚀两种。腐蚀是由大面积钝化状态表面为阴极区与局部无钝化表面为阳极区组成闭塞电池体系，由氯离子对不锈钢钝化膜的破坏作用而引起的。
对于奥氏体不锈钢(304属于此种类型)而言，氯离子可谓是其最大杀手，形成腐蚀的原因为氯离子破坏不锈钢的钝化膜氧化铬，由于氯离子有很强的可被金属吸附的能力，它们优先被金属吸附，并从金属表面把氧排掉，形成可溶性的金属氯化物，这样导致了腐蚀的加速结果在基底金属上生成孔径为20-30微米的小蚀坑，孔蚀一旦形成，即向深处自动加速。缝隙腐蚀与坑点腐蚀机理一样，是由于缝隙中存在闭塞电池的作用，导致氯离子富集而出现的腐蚀现象；这类腐蚀一般发生在法兰垫片、搭接缝、螺栓螺帽的缝隙，以及换热管与管板孔的缝隙部位，缝隙腐蚀与缝隙中静止溶液的浓缩有很大关系，一旦有了缝隙腐蚀环境，其诱导应力腐蚀的几率是很高的。
对于奥氏体不锈钢在氯离子环境下的腐蚀，各种权威的书籍均有严格的要求，氯离子含量要小于25ppm，否则就会发生应力腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀。因此，对于304不锈钢腐蚀的预防采取如下措施：(1)严格控制导热介质的氯离子浓度，必须小于25ppm；(2)加入特效的有机缓蚀助剂，增加钝化膜的稳定性或有利于受损钝化膜得以再钝化；(3)采用外加阴极电流保护，抑制孔蚀。
4、铝的腐蚀及预防
铝是一种活泼金属，极容易和空气中的氧气起化学反应生成氧化铝，氧化铝在铝合金表面结一层灰色致密的极薄的薄膜，这层薄膜十分坚固，能使里面的金属和外界完全隔开，从而保护内部的铝不再受空气中氧气的侵蚀。但是，铝和氧化铝薄膜能和许多酸性或碱性物质起反应而被腐蚀，其在中性环境下较稳定。如用在太阳能集热系统中，其潜在的腐蚀有以下几种：(1)点蚀，是阳极反应的一种独特形式，是一种自催化过程；(2)均匀腐蚀，在酸性过大或碱性过大的介质中，其表面的氧化膜发生反应溶解，溶解速度也是均匀的，溶液温度越高，腐蚀越厉害；(3)晶间腐蚀，在导热介质中，铝合金的晶间腐蚀多发生在蚀坑内侧，腐蚀沿晶间向纵横方向发展，有时还会形成隧道状；(4)电偶腐蚀，铝的标准电极电位-1.18V，与不锈钢、碳钢、铜这三种金属的电位差均超过了0.25V，因铝易失去电子而发生电化学腐蚀。
预防措施：(1)导热介质的pH不宜偏大，控制在7-8为宜，这也是汽车防冻液或基于汽车防冻液配方的导热介质必须两年左右就要更换的主要原因；(2)受汽车散热器和发动机系统连接使用橡胶管的启发，连接集热板和水箱时一定做到绝缘，切断形成宏电池的电子通道，抑制电偶腐蚀的发生；(3)添加适宜的缓蚀助剂，降低腐蚀的发生。虽然采取了上述有效措施，在太阳能行业铝合金这种材质仍然是最易腐蚀的金属，建议慎重采用。
以上讲的是浸泡在导热介质溶液的金属表面的缓蚀应对措施，对于夹套或者铜管内预留的膨胀空间部分，因为氧气的存在，这一部分发生腐蚀的概率更大，唯一可采取的措施就是用惰性的氮气将空气进行置换并完全密封换热系统，隔绝氧气降低腐蚀发生的可能性。
综上所述，太阳能热水系统专用导热介质在设计配方时应该针对系统本身所具有的材质添加如下专用缓蚀剂：紫铜缓蚀剂、黄铜缓蚀剂、碳钢缓蚀剂、不锈钢缓蚀剂，保证溶液的pH值在8-11之间并且具有较强的缓冲能力，严格控制氯离子浓度在20ppm以下，这样才能使导热介质具有很强的缓蚀能力。导热介质的防腐蚀能力应该符合如下要求：
玻璃器皿腐蚀(88±2℃，336±h，试片变化值，mg/片)
紫铜 -5~+5
黄铜 -5~+5
碳钢 -10~+10
不锈钢(304) -10~+10
*铸铝 -30~+30
*平板太阳能体系中一般没有该材质，如有可对这一指标进行检测，从该项指标的范围可以看出铸铝容易受腐蚀。
