淺析不同類型導熱介質的區別

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，隨著國家節能減排政策的引導，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用。太陽能導熱介質作為其中的“血液”，作用非常重要。導熱介質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、穩定和換熱等多方面性能也是必須的，對于太陽能換熱系統的影響也是至關重要的。導熱介質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)，現將這三種類型導熱介質分別做下簡單介紹，以期對大家選擇優質導熱介質有所幫助。

1 乙二醇型導熱介質

1.1 乙二醇簡介

乙二醇(Ethylene glycol)又名“甘醇”，化學式為(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，儲存的容器應密封；乙二醇使用中產生酸性物質，對金屬具有腐蝕性，配制的導熱介質中，還必須有防腐劑，以防止對金屬腐蝕。派瑞導熱介質采用滌綸級乙二醇，純度≥99.9%。

1.2 乙二醇型導熱介質的物性

密度、比熱容、黏度和導熱系數都是影響乙二醇型導熱介質換熱性能的重要參數。物性數據見表1。

表1 乙二醇型導熱介質的物性

注：引用《汽車冷卻液-化學工業出版社》

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，適合于作為導熱介質防凍劑使用。

2 丙二醇型導熱介質

2.1 丙二醇簡介

丙二醇(Propylene glycol)化學式為C3H8O2，有兩種異構體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、醫藥和化妝品工業中廣泛用作吸濕劑、抗凍劑、潤滑劑和溶劑。醫藥級丙二醇價格太高，主要用在醫藥和化妝品行業。派瑞導熱介質采用工業優級品丙二醇(純度≥99.5%)，可以滿足太陽能導熱介質的要求。

2.2 丙二醇型導熱介質的物性

密度、比熱容、黏度和導熱系數都是影響丙二醇型導熱介質換熱性能的重要參數。物性數據見表2。

表2 丙二醇型導熱介質的物性

注：引用《汽車冷卻液-化學工業出版社》

丙二醇型導熱介質隨著丙二醇體積分數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無法比擬的優勢。丙二醇型導熱介質毒性低，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現，丙二醇更容易生物降解。丙二醇在五天時間內降解了69%，而乙二醇只降解了36%。因此，從毒性和生物降解的角度看，丙二醇型導熱介質要明顯優于乙二醇型介質。當然，丙二醇型導熱介質的價格也比乙二醇型導熱介質高很多。

3 丙三醇型導熱介質

3.1 丙三醇簡介

丙三醇(Glycerol)，俗稱“甘油”，化學式為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。國內甘油生產主要由天然油脂的皂化反應制得，由于水解不完全，含有各種雜質。甘油作為生物柴油的副產物，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，產生酸性物質。

3.2 丙三醇型導熱介質的物性

密度、比熱容、黏度和導熱系數都是影響丙三醇型導熱介質換熱性能的重要參數。物性數據見表3。

表3 丙三醇型導熱介質的物性

注：引用《化學化工物性數據手冊》

丙三醇型導熱介質在防凍性、傳熱性方面與乙二醇型和丙二醇型介質沒有明顯差別，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，導致介質變質發臭；另一方面黏度也較大，會降低介質的流動性和傳熱效果，尤其在低溫環境下更明顯。

4 三種類型導熱介質性質對比

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據見表4。

表4 乙二醇、丙二醇和丙三醇的物性

注：引用《汽車冷卻液-化學工業出版社》

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，使得丙三醇型導熱介質的流動性和換熱性比乙二醇型和丙二醇型介質要差一些，尤其在低溫環境下更明顯。另外，丙三醇易氧化酸化，受熱易分解，使得丙三醇型導熱介質的使用壽命比乙二醇型和丙二醇型介質要短很多。

4.2 三種類型導熱介質物性對比

三種類型導熱介質物性對比 見表5。

表5 三種類型導熱介質物性對比

注：引用《ASHRAE手冊2005》

4.3 三種類型導熱介質毒性對比

太陽能熱水器作為民用產品，對導熱介質的毒性有明確要求。現將工業化學品的急性毒性分級標準做下簡單介紹。

表6 急性毒性分級標準

注：引用《工業化學品毒性鑒定規范及實驗方法》

從表6可以看出，工業化學品毒性的最低標準為低毒類，廠家宣稱導熱介質為無毒產品，其實是在誤導消費者。有廠家稱乙二醇毒性大，派瑞乙二醇型導熱介質經河北省疾病預防控制中心毒理所檢測，LD50>10000mg/kg體重，按《化學品毒性鑒定技術規范》評價，屬低毒物。派瑞丙二醇型導熱介質經河北省疾病預防控制中心毒理所檢測，LD50>10000mg/kg體重，按《化學品毒性鑒定技術規范》評價，屬低毒物。

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

注：經口半數致死劑量為經口一次或24h內多次經口給予受試樣品后，引起實驗動物總體中半數死亡的毒物的統計學劑量。以單位體重接受受試樣品的質量(g/kg)LD50來表示。

5 結語

對丙二醇型、乙二醇型和丙三醇型導熱介質在穩定性、毒性、價格和換熱效果方面做對比，它們的優劣排序可參考表7。

表7 三種類型導熱介質排序

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