Классификация промышленных теплоносителей и их свойства

Жидкие промышленные теплоносители классифицируются по назначению, диапазону рабочих температур и давлений. Теплоноситель должен обеспечивать нагрев или охлаждение технологического потока до заданной температуры.

Теплоносители (жидкости охлаждающие низкозамерзающие) – это рабочие среды, которые в процессе теплообмена либо отводят избыточное тепло, либо применяются для нагрева в системах различных производств, а также для обогрева жилых, офисных и производственных зданий и сооружений.

Для усиления эффективности процесса теплообмена в системах отопления в качестве рабочих сред используют различные виды жидкостей – теплоносителей. Изначально использовалась простая вода или в отдельных случаях - водяной пар. Но данные методы стали неэффективными и дорогими, учитывая быстрое ржавление оборудования, постоянную замену воды и слишком быстрое остывание оборудования.

Для повышения эффективности работы теплообменного оборудования и улучшения качества работы теплообмена были созданы новые виды всесезонных низкозамерзающих (составов) теплоносителей с большими сроками эксплуатации в системах отопления.

На данном этапе развития промышленного производства широкое распространение в качестве рабочих сред получили водные растворы гликолей с пакетами присадок, которые используют как основное вещество:

• этиленгликоль,

• пропиленгликоль,

• глицерин.

Существует широкий ассортимент теплоносителей, отличающихся физико-химическими характеристиками, что позволяет выбирать наиболее подходящий для применения с учетом условий его дальнейшей эксплуатации.

Среди видов востребованных жидких теплоносителей условно можно выделить следующие наиболее распространенные группы:

• вода (водно-солевые растворы);
• этиленгликоль, пропиленгликоль (водно-гликолевые растворы);
• смеси.

Каждый из теплоносителей этих групп имеет свои характерные преимущества и недостатки.

Многие системы отопления заполняются наиболее доступным и универсальным теплоносителем – водой. Она находится в свободном доступе и её запасы в природе постоянно возобновляются. До 70% систем отопления заполнены природной жидкостью.

Среди преимущества воды как теплоносителя можно выделить:

• экологическую безопасность
• доступность
• высокую плотность
• удельную теплоемкость
• низкую теплоемкость
• минимальную вязкость
• хороший коэффициент передачи тепла
• возможность регулировать температуру нагрева

У природной жидкости существуют и недостатки. К ним относится:

• низкий верхний предел нагрева (температурный максимум в отопительной системе до 150 °C);
• замерзает при 0 °C, переходя в кристаллическую форму со значительным увеличением объема, что приводит к деформации и разрушению оборудования и трубопроводов систем отопления;
• возможность возникновения коррозионных процессов с образованием оксидов металлов (ржавчины) и разрушением поверхностей оборудования;
• образование накипи на поверхностях трубопроводов при нагревании до 80 °C.

С 01.01.2017 г. для теплоносителей введен в действие ГОСТ 33341-2015 «Составы низкозамерзающие всесезонные и жидкости, охлаждающие для теплообменных систем», в составе которых в качестве базовых компонентов – гликолей (этиленгликоль, диэтиленгликоль, триэтиленгликоль, пропиленгликоль) используется специфическое свойство их водных растворов не переходить в твердую фазу при пониженных температурах окружающей среды. Такие составы хорошо обеспечивают передачу тепла и могут применяться до 5-7 лет сохранением оптимальных условий без регенерации.

Для промышленных систем отопления имеются определенные ключевые характеристики теплоносителей в зависимости от вида основного вещества: этиленгликоля(ЭГ) и пропиленгликоля(ПГ).

Теплоносители на основе ЭГ:

• обеспечивают бесперебойную работу технологического оборудования
• имеют свойства защищающие системы от коррозии
• обладают высокой термостабильностью
• имеют среднюю стоимость
• имеют низкозамерзающие свойства (температура начала кристаллизации зависит от содержания этиленгликоля в растворе) – рис.1

Рисунок 1 – Зависимость температуры начала кристаллизации от концентрации этиленгликоля в воде

Теплоносители на основе ПГ активно используются в теплообменной аппаратуре пищевой и фармацевтической промышленности и характеризуются как экологически безопасные. Обладают следующими преимуществами:

• защищают от коррозии детали и узлы системы в которой циркулируют
• имеют срок эксплуатации до 10 лет
• имеют минимальную температуру начала кристаллизации, до минус 65°С (зависит от концентрации ПГ в воде) – рис.2
• экологичен
• предотвращают гидроудары обладают хорошим смазывающим эффектом
• имеют низкую химическую агрессивность
• подходит для обогрева жилых домов и зданий общественного назначения

Рисунок 2 – Зависимость температуры начала кристаллизации от концентрации пропиленгликоля в воде

Теплоотдача – это физический процесс переноса теплоты (холода) между поверхностью твердых тел и омывающими их рабочими средами (теплоносителями). При этом теплоносителями могут быть: газы, жидкости, расплавы. Она происходит в результате конвекции, лучистого теплообмена.

Коэффициентом теплоотдачиназывается физическая величина, которая характеризует интенсивность теплоотдачи при известном изменении температуры.

Этот коэффициент часто используют в гидроаэродинамике, когда исследуют конвективный теплообмен. Часто ее обозначают буквойα Вт/(м2×К). Коэффициент α равен:

α=q∆T

где q— плотность теплового потока, ∆T— температурный напор. Величина q — это количество теплоты, которое передается через единичную площадь поверхности тела в единицу времени. ∆T находят как модуль разности температур жидкости и поверхности тела. Коэффициент теплоотдачи теплоносителя зависит от скорости потока носителя тепла, вида течения, какова геометрия поверхности твердого тела и т.д.

Рекомендации производителей теплоносителей

Чтобы правильно выбрать жидкий теплоноситель, необходимо ориентироваться на систему и условия, в которой он будет эксплуатироваться. Правильно подобранный теплоноситель не требует замены в течение 8-10 лет и остается эффективным в этот период. Если подбор произведен неправильно, то уже через год он может утратить свои рабочие характеристики. Компания “SVA” осуществляет производство и продажу промышленных теплоносителей оптом.

К рабочим средам предъявляется ряд требований. Каждое из них – это определенные критерии выбора теплоносителей для теплообменных систем, включая и процессы отопления.

• Хорошая теплоаккумулирующая способность, которая дает возможность уменьшить энергозатраты на перемещение.
• Транспортабельность. Важно обладание стабильного агрегатного состояния и способности переносить тепло (холод) на необходимые расстояния.
• Низкий уровень токсичности или её минимальное воздействие на здоровье персонала.
• Экологическая безопасность. Необходимо, чтобы возможные непредусмотренные утечки и выбросы не оказывали негативного влияния на окружающую среду.
• Химическая инертность по отношению к материалам теплообменных систем и технологического оборудования различных производств (металлы, сплавы, уплотнительные изделия, резины и т.п.).
• Оптимальный работоспособный температурный диапазон, что обеспечивает стабильность теплообмена и устойчивость управления режимами многообразных процессов производства и снижает эксплуатационные расходы.
• Взрывопожаробезопасность. Важно, чтобы разогретый теплоноситель при контакте с воздухом не воспламенялся.

Не менее важны и некоторые физические характеристики: высокий коэффициент теплопроводности, величина коэффициента, характеризующего поверхностное натяжение и оптимальная величина вязкости в широком температурном интервале.

У каждого типа теплоносителей производятся товарные марки, готовые к применению в системах теплообмена с ограничениями по диапазону температур. При минус 70°С любая традиционная охлаждающая жидкость станет чрезмерно вязкой. Нижний порог температуры начала кристаллизации связан с концентрацией основного компонента в составе. Но при высокой вязкости насосы могут не обеспечить требуемый объем прокачки рабочей среды в системе.

Выделяют и другие ограничения при выборе:

• Производители пищевых и фармацевтических производств не применяют токсичные вещества
• Запрещено использовать теплоносители, которые содержат ЭГ в открытых системах, где есть доступ человека к рабочей среде
• Теплообменное оборудование с высокой температурой эксплуатации (выше 110°С) нуждается в применении специальных рабочих сред, выдерживающих высокотемпературные режимы
• производители теплообменной аппаратуры, запорной арматуры и трубопроводов часто ограничивают варианты допустимых охлаждающих жидкостей.