Когда появились первые отопительные системы? Некоторые историки утверждают, что в Древнем Риме. Например, в римских термах горячая вода распределялась в разные помещения по трубам. А вот пример из более близкого к нам времени, в 1675 году англичане разработали отопительную систему для оранжереи, состоящую из нагревательного котла и стальных труб.
Французский изобретатель де Шабан в 1817 году представил систему водяного отопления с водонагревательным котлом, вертикальными подъёмными и опускными трубами, расширительным баком и отопительными приборами.
В России своя система водяного отопления была разработана инженером Соболевским П.Г. Спустя некоторое время , в 1875 году, появилась квартира с водяным отоплением и настоящими радиаторами, которая стала первой не только в стране, но и во всей Западной Европе.
Если говорить о спиртах, то использование гликолей в отоплении, относится скорее к средине прошлого века. Потому что, их широкое применение, в частности этиленгликоля, в отопительных системах началось только в середине XX века. Казалось бы небольшой срок, а каков нынешний размах.
Области применения гликолевых растворов
На сегодняшний день область применения гликолевых растворов обширна. Их можно встретить в самых разных отраслях экономики и народного хозяйства, то есть в частном и корпоративном секторе, а с полным списком можно ознакомиться в таблице:
| Промышленное применение | Энергетический сектор, гелиоустановки, тепловые электростанции, системы охлаждения турбин, энергоблоки промышленных предприятий. |
| Производственные процессы | Металлургическая промышленность, химическая промышленность, пищевая промышленность, фармацевтическая промышленность. |
| Инженерные системы |
Отопительные системы: частные дома и коттеджи, многоквартирные здания, промышленные объекты, общественные здания. Системы кондиционирования: офисные центры, торговые комплексы, производственные помещения, медицинские учреждения. |
| Специализированное оборудование |
Холодильные установки: торговые холодильные камеры, складские помещения, производственные морозильники, транспортные рефрижераторы. Охлаждающие системы: системы охлаждения двигателей, технологическое оборудование, компьютерные серверные, лабораторное оборудование, транспортные системы. |
|
Автомобильная промышленность
|
Системы охлаждения двигателей антифризные жидкости, отопительные системы. |
| Железнодорожный транспорт | Системы отопления вагонов, охлаждающие системы локомотивов. |
| Сельское хозяйство |
Теплицы: Системы отопления, оросительные системы, вентиляционные установки. Животноводческие комплексы: системы обогрева, вентиляция помещений. |
| Особые условия применения | Северные регионы: системы отопления в условиях экстремально низких температур, транспортные системы, промышленные объекты. |
| Объекты с повышенными требованиями | Медицинские учреждения, пищевые производства, образовательные учреждения. |
Промышленное применение
Теплоносители для промышленных объектов размещаются в гелиоустановках при осушке газов в нефтегазовой отрасли, в линиях охлаждения промышленного оборудования, в теплообменниках химической промышленности т.д. В этих сферах деятельности человека широко эксплуатируются гликолевые системы, использующие охлаждающую или нагревающую жидкость в различных технологических процессах.
Основными компонентами гелиоустановки являются циркуляционный контур с гликолем, теплообменное оборудование, система контроля и мониторинга параметров, насосное оборудование, резервуарный парк хранения раствора. Типы используемых гликолей: триэтиленгликоль (ТЭГ) — основной компонент в промышленных установках, диэтиленгликоль (ДЭГ) — применяется в специфических процессах, моноэтиленгликоль (МЭГ) или этиленгликоль— используется при низких температурах.
Гелиоустановки обладают высокой эффективностью теплообмена, работают в широком диапазоне температур и различных режимах, гарантируют устойчивость к замерзанию, имеют большой срок службы. К недостаткам можно отнести строгие требования безопасности к этиленгликолевым теплоносителям: поддержание герметичности, исключающей утечки, наличие устройств защиты от перегревов, различные предохранители и системы аварийного отключения.
Системы кондиционирования воздуха и холодильники
Системы кондиционирования воздуха включают чиллер для охлаждения гликолей, систему трубопроводов, теплообменники, насосное оборудование, контрольно-измерительные приборы. Эти системы встречаются в местах, где нужна комфортная обстановка для посетителей или в зонах складирования и хранения: торговые центры, офисы, кафе и на складских комплексах. В них рабочий диапазон температур составляет от -5°C до +20°C. Оптимальная концентрация раствора гликоля составляет 20-50% в зависимости от условий эксплуатации.
Современные системы кондиционирования воздуха способны передавать холод на значительные расстояния, защищают от замерзания при низких температурах, эффективно противостоят коррозии, обеспечивают стабильность работы в различных условиях.
При проектировании и эксплуатации особое внимание уделяется вязкости раствора, тем более отечественные производители предлагают теплоносители с низкой вязкостью совместимые с материалами, из которых сделаны оборудование и трубы системы. Кроме того, не следует забывать о прокладках, изготовленных из неметаллических материалов, от них в достаточной степени зависит герметичность закрытой системы, значит системы кондиционирования воздуха в полной мере обладают свойствами характерными для закрытых систем — вдумчивого подхода к проектированию и эксплуатации, кропотливой работы при монтаже и тщательного контроля во время работы.
Так, во время монтажа системы необходимо тщательно загерметизировать соединения, провести качественную теплоизоляцию труб, установить необходимый уклон трубопроводов, подобрать запорную арматуру и рассчитать объем расширительного бака. При разработке контура охлаждения особое внимание подбору концентрации гликоля. Контроль за контуром предполагает постоянный мониторинг давления, температуры, работы насосов, состояния фильтров и концентрации гликоля, а также расчет расхода теплоносителя в системе.
Холодильные установки включают чиллер с гликолевым контуром, систему трубопроводов, теплообменники, циркуляционные насосы, контрольно-измерительную аппаратуру. Холодильники устанавливаются на складах, эксплуатируются в производственных помещениях, пищевых производствах, торговых и логистических центрах, а также в медицинских учреждениях. Установки работают в следующем температурном режиме: от -20°C до +10°C, концентрация гликоля в диапазоне 20-65% в зависимости от требуемой температуры. Холодильные установки являются закрытыми системами, поэтому им присуще все достоинства и недостатки этих линий.
Автономные отопительные системы
Они бывают следующих типов: одноконтурные системы (только отопление) и двухконтурные (отопление + ГВС), системы с принудительной циркуляцией и с естественной циркуляцией. Автономные отопительные системы состоят из котла (газового, дизельного, электрического), расширительного бака, циркуляционного насоса, системы трубопроводов, радиаторов или других отопительных приборов, теплообменника с гликолем.
Температурный режим их работы: от -10°C до +90°C. Концентрация гликоля находится в зависимости от условий эксплуатации, типа оборудования, окружающей среды и т.д.
Главное преимущество автономной системы это ее независимость от центральных коммуникаций, широкие возможности регулировки температуры, экономия на энергоносителях. Система может быть открытой и закрытой, следовательно есть свобода выбора жидкости. Учитывая, токсичность отдельных видов гликолей, рекомендуются теплоносители на основе пропиленгликоля или глицериновые растворы.
Гликолевые растворы
Представляют собой специальные смеси, в основе которых находятся этиленгликоль или пропиленгликоль. Гликоли (диолы) являются органическими соединениями с двумя гидроксильными группами ОН в молекуле. Их химическая активность определяется наличием этих групп и особенностями строения молекул.
Гликоли активно применяются уже несколько десятков лет и получили широкое распространение. Их общие ключевые свойства: термостойкость (работают при высоких температурах), антифризные свойства (не замерзают при экстремально низких температурах), теплоотведение (обеспечивают эффективный теплообмен), коррозионная защита (защищают металлические элементы от ржавчины).
Еще раз следует подчеркнуть, что гликоли обладают такими техническими характеристиками, которые их делают незаменимы в различных сферах жизнедеятельности человека и отраслях экономики — это низкая температура замерзания растворов, высокая температура кипения и стабильность при различных температурах.
Кроме того, гликоли хорошо растворяются в воде, активно смешиваются с органическими растворителями, растворяют большинство органических соединений. Водные растворы гликолей отличаются коррозионной активностью поэтому в качестве нейтрализаторов в них добавляются ингибиторы коррозии. Благодаря своим химическим свойствам гликоли широко используются в химической промышленности при производстве сложных полиэфиров, получения полиуретанов, создании пластификаторов.
Основные недостатки гликолевых растворов
Недостатки гликолевых растворов можно рассмотреть на примере сравнения с водой. Первым и основным теплоносителем для отопительных систем остается вода, особенно в жилищно-коммунальном секторе. Она используется в центральном отоплении, ее рекомендуют для применения в помещениях с постоянной положительной температурой, а также надежной защитой от замерзания. В автономных системах отопления, установленных в индивидуальных хозяйствах с постоянным проживанием, вода остается проверенным и надежным теплоносителем, особенно при ограниченном бюджете.
Но, появление загородных коттеджей в качестве дач, меняет отношение к воде. Хозяева таких частных домовладений, появляются в них наездами, поэтому возникает опасность разморозки системы отопления. В таких ситуациях требуются теплоноситель с низкой температурой начала кристаллизации, чем вода со своим нулем. А это вышеназванные этиленгликоль и пропиленгликоль.
Сравнительную таблицу между ними и водой (см. ниже):
| Свойства | Вода | Этиленгликоль и пропиленгликоль |
| Теплопроводность |
высокая, наиболее эффективный теплоноситель |
ниже, чем у воды (на 15% и более) |
| Токсичность |
отсутствует |
этиленгликоль — токсичен пропиленгликоль — нетоксичен |
| Температура замерзания |
0°C |
от -35°C до -70°C (в зависимости от концентрации) |
| Вязкость |
низкая |
выше, чем у воды |
| Расширение при замерзании |
9% |
минимальное (около 1,5%) |
| Стоимость |
низкая, доступный ресурс |
более высокая стоимость |
И еще одна сравнительная таблица вышеназванных теплоносителей, где указываются преимущества и недостатки гликолей и воды.
| Жидкость | Преимущества | Недостатки |
| Вода |
Высокая теплоемкость Низкая стоимость Простота обслуживания Возможность утилизации без ограничений Хорошая текучесть |
Риск замерзания и повреждения системы Коррозионная активность Необходимость подготовки воды Ограниченный температурный диапазон |
| Этиленгликоль и пропиленгликоль |
Защита от замерзания Стабильность при низких температурах Отсутствие риска разрыва труб Широкий температурный диапазон Защита от коррозии (при наличии присадок в теплоносителе) |
Более высокая стоимость Повышенная вязкость Необходимость специального обслуживания Ограниченный срок службы (5-10 лет) Особенности применения |
На основании вышесказанного можно подвести итог, что одним из важных недостатков является токсичность гликолей, их вредное влияние на окружающую среду. Все это предполагает проведение различных дополнительных мероприятий по обслуживанию систем теплоснабжения и охлаждения, повышению уровня контроля за системой, проверке качества гликолей, предотвращению попадания теплоносителей внутрь человека и т.д., что отражается на цене.
Далее, повышенная вязкость гликолевых растворов требует более мощных насосов, а значит увеличение энергопотребления. При учете температурных расширений возникает потребность в увеличенном расширительном баке, а это финансовые затраты на оборудование. И наконец, необходимость замены теплоносителя каждые 5 лет.
И еще один важный вопрос: на основании высокой токсичности возникает необходимость утилизации теплоносителей и охлаждающих жидкостей.
Поэтому при проектировании систем отопления с применением гликолевых растворов важно тщательно взвешивать все преимущества и недостатки, учитывая специфику конкретной системы и условия эксплуатации. Правильный выбор типа гликоля и соблюдение всех технических требований может минимизировать негативные последствия их применения.
Подбор оптимальной концентрации гликолевого раствора.
Для потребителя, владельца частного дома, принявшего решение отказаться от воды и воспользоваться гликолями важно помнить — это дороже, из-за стоимости оборудования, самого раствора, затрат на обслуживание, электроэнергию и утилизацию. НО, исключается риск замерзания системы с последующим выходом из строя дорогого оборудования и остается уверенность в стабильности и завтрашнем дне.
На сегодняшний день в различных источниках, для простого потребителя решившего ознакомиться с возможностями теплоносителей, представлено большое количество информации. Наверное, каждому знакомо ощущение пресыщения, и последующего не понимания поставленного вопроса от переизбытка знаний. Попробую дать совет: начинать надо с влияния концентрации на температуру кристаллизации, то есть температурной зависимости. А она следующая:
- Для защиты до -3°C: 10% гликоля
- Для защиты до -8°C: 20% гликоля
- Для защиты до -14°C: 30% гликоля
- Для защиты до -22°C: 40% гликоля
- Для защиты до -33°C: 50% гликоля должно быть в водном растворе.
На этой ранней стадии анализа следует предупредить при недостаточной концентрации возрастает риск замерзания системы, снижаются антикоррозионные свойства, ухудшается защита оборудования повышается его износ; при избытке: увеличивается вязкость, снижается теплопередача, повышается нагрузка на насосы, следовательно, возрастает энергопотребление.
Добавим, что основная формула для расчета концентрации выглядит так:
C=KTz−Tm, где:
- C — концентрация гликоля (%)
- Tz — температура замерзания раствора (°C)
- Tm — минимальная температура эксплуатации (°C)
- K — коэффициент коррекции (зависит от типа гликоля)
А вот дальше можно рассматривать климатические условия эксплуатации, в которых мы определили минимальную температуру применения теплоносителя, теперь нужно установить температурный режим работы, например, технология «Умного дома» предполагает охлаждение помещение на время отсутствия хозяев, либо стабильные 20-24°C.
Далее, выбираем тип оборудования и здесь есть важное ограничение: оно должно быть совместимым с концентрацией гликолей, иначе необходимо менять состав водного раствора путем добавления ингибитора.
И последнее, документация на отопительную систему включает: паспорт системы отопления/охлаждения, технические характеристики оборудования, расчет тепловой мощности, проект системы.
