Теплоносители

Диапазон температур

Не существует теплоносителя, способного перекрыть весь диапазон от 0 до, скажем, 3000 Кельвина. У каждого вида теплоносителя есть свой рабочий диапазон, есть диапазон, в котором теплоноситель может находиться небольшое время без существенной деградации. Однако существуют специально разработанные терможидкости с расширенным рабочим диапазоном, который недостижим для воды, силиконовых масел и других классических теплоносителей.

Теплоёмкость

Определяет количество теплоносителя, которое необходимо прокачивать в единицу времени для переноса заданного количества тепла.

Коррозионная активность

Ограничивает применение некоторых теплоносителей, заставляет добавлять ингибиторы коррозии (классический пример - гликолевые антифризы для автомобилей), накладывает ограничения на материал конструкции.

Вязкость

Косвенно влияет на скорость прокачки, на потери в трубопроводах, на коэффициент теплопередачи в теплообменниках. Может изменяться в очень широких пределах при изменении температуры.

Смазывающая способность

Накладывает ограничения на конструкцию и материалы циркуляционного насоса и прочих механизмов, соприкасающихся с теплоносителем.

Безопасность.

1.1 Требования к теплоносителям

Теплоносителя классифицируются по назначению, агрегатному состоянию, диапазону рабочих температур и давлений.

По назначению выделяют теплоносители: греющий, охлаждающий (хладоноситель), промежуточные тепло - и хладоносители, хладагент, сушильный агент и др.

По агрегатному состоянию различают однофазные и многофазные (чаще двухфазные) теплоносители:

- к однофазным теплоносителям относятся низкотемпературная плазма (пламя), газы, не конденсирующие пары, смечи газов, не кипящие и неиспаряющиеся при рабочем давлении жидкости, их смеси, растворы, твердые материалы (чаще сыпучие);

- к двухфазным и многофазным теплоносителям относятся кипящие, испаряющиеся и распыляемые газом жидкости, конденсирующиеся пары, плавящиеся и затвердевающие газы), капельные жидкости с температурой кипения при атмосферном давлении выше 200 0С;

- к среднетемпературным относятся водяной пар с твердые вещества, пены, газовзвеси, аэрозоли, эмульсии, суспензии, шламы, пасты и прочие сложные системы;

По диапазону рабочих температур выделяют высоко-, средне-, низкотемпературные и криогенные теплоносители:

- к высокотемпературным относятся газообразные теплоносители с температурой газов 1500 0С и выше (дымовые и топочные температурой до 650 0С, вода с температурой до 375 0С и воздух с температурой до 100 0С;

- к криогенным относятся сжиженные газы и их пары, область их применения лежит ниже -150 0С.

Наиболее распространенными из них являются вода, водяной пар, воздух, дымовые и топочные газы.

3. Характеристика теплоносителей

Выбор теплоносителя для каждого конкретного потребителя теплоты и предприятия в целом производится, прежде всего, в соответствии с требованиями санитарных и противопожарных норм и правил, действующих в данном производстве и для данного теплоносителя. Большое значение также имеет изучение режимов теплопотребления для рассматриваемой отрасли промышленности, особенно ее теплоемких производств.

На промышленных предприятиях широко используются вода и водяной пар. Эти теплоносители позволяют получать высокие коэффициенты теплоотдачи в теплообменных аппаратах, они дешевы и могут транспортироваться на значительные расстояния, теряя по пути относительно мало теплоты. Возможный радиус действия водяной системы оценивается в 30-60 км, а паровой - 6-15 км Выбор одного из двух теплоносителей определяется конкретными условиями их применения с учетом достоинств и недостатков каждого из них. К достоинствам водяного пара можно отнести уменьшение энтальпии при конденсации, благодаря этому для передачи значительного количества тепла достаточно небольших весовых количеств пара, постоянство температуры конденсации при заданном давлении облегчает поддержание постоянства режима и регулирование процесса в аппарате. Основным недостатком водяного пара является неизбежное и значительное повышение давления с ростом температуры. Например, при давлении 0,981 105 Па температура насыщенного пара составляет 99,1 0С, а температура насыщенного пара 309,5 0С может быть получена при давлении 98,1 105 Па. Поэтому паровой обогрев применяется для процессов с температурой 60 150 0С, при более высоких температурах теплообменные аппараты должны изготавливаться из толстостенных труб, с что делает их дорогими и громоздкими.

1 кг пара с давлением 0,5 МПа и температурой 150 0С может отдать потребителю в 6 раз больше теплоты, чем 1 кг горячей воды при той же температуре. Однако объем пара при этих параметрах почти в 400 раз больше объема воды. Для экономичной работы всей системы теплоснабжения, объединяющий источник и потребитель теплоты, желателен сбор и возврат образующегося из пара конденсата. Так, конденсат, образующийся в подогревателях нефтепродуктов и растворов красителей, часто в источник теплоты не возвращается, поскольку при выходе из строя нагревательных трубок теплообменника загрязняется и становится непригодным для питания котлов.

При использовании воды необходимость сбора и возврата конденсата источнику теплоты (например, ТЭЦ) отпадает.

Вода является основным рабочим телом в парогенераторах ТЭС, в системах вентиляции и водяного отопления. Для потребления она приготавливается в специальных водогрейных котлах, производственных технологических агрегатах, (например, в печах) или водонагревательных установках. Горячую воду, как теплоноситель, можно транспортировать по трубопроводам на значительные расстояния. Понижение температуры воды в хорошо изолированных трубопроводах составляет не более 1 0С на 1 км. Достоинством воды, как теплоносителя является сравнительно высокий коэффициент теплоотдачи. Однако горячая вода из тепловых сетей в производственных теплообменниках используется редко, так как в течение отопительного периода температура ее непостоянна и изменяется от 70 до 130 0С, а в летнее время тепловые сети не работают.

В качестве теплоносителя в ряде производств используется воздух. В связи с этим знание свойств воздуха имеет большое значение. Сухим называют воздух, в котором не содержится водяной пар. Влажный воздух представляет собой механическую смесь сухого воздуха и паров воды. Процессы с влажным воздухом рассчитываются по уравнениям состояния идеальных газов (вследствие малых парциальных давлений пары воды считают идеальным газом) в условиях термодинамического равновесия (температура паров воды, сухого воздуха и влажного воздуха принимается одинаковой).

В зависимости от соотношения парциальных давлений паров воды рП и давлением насыщенных паров воды рS можно рассмотреть следующие состояния влажного воздуха.

Рис. 3.1 - Состояние влажного воздуха по диаграмме: К - критическая точка: а) - ненасыщенный (перегретый) влажный воздух; т. 1 - состояние паров воды при температуре tB давлении паров pП < pS; pS - давление насыщения при температуре tB

б) насыщенный влажный воздух; т. 2 - состояние паров воды при температуре tB и давлении паров pП = pS; в) - пересыщенный влажный воздух; т. 3 - состояние паров воды при температуре tS и давлении паров pП > pS; т. 3/ - состояние насыщения при температуре tB; pS - давление насыщения при температуре tB; tS - температура насыщения при давлении pП.

Ненасыщенный влажный воздух. Парциальное давление паров воды рП меньше давления насыщения рS при данной температуре, рП< рS. Температура паров воды (влажного воздуха) больше температуры насыщения (кипения) при данном давлении, tB>tS. Пары воды находятся в перегретом состоянии относительно температуры насыщения.

Насыщенный влажный воздух. Парциальное давление паров воды равно давлению насыщения при температуре воздуха, рП = рS. Температура влажного воздуха равна температуре насыщения воды при данном давлении, tB = tS.

Пересыщенный влажный воздух. Парциальное давление паров воды рП больше давления насыщения рS при данной температуре рП> рS. Температура влажного воздуха меньше температуры насыщения воды при давлении рП, tB < tS. В данном случае происходит конденсация части паров или пары (при отсутствии центров конденсации) остаются в термодинамически неустойчивом (пересыщенном) состоянии.

Дымовые и топочные газы применяются как теплоноситель в огнетехнических высокотемпературных процессах (печи, топки котлов и т.д.) для непосредственного обогрева различных материалов и изделий при температурах 600 - 2000 0С. Их основное достоинство - высокая температура при отсутствии избыточного давления в тепло производящем и теплоиспользующем агрегатах. Недостаток - низкий коэффициент теплоотдачи от газа к обогреваемому материалу, малое количество теплоты, переносимое единицей объема газа, невозможность транспортировки даже на небольшое расстояние (вследствие отсутствия давления в топочном устройстве), сложность регулирования рабочего процесса, пожароопастность, износ поверхностей золой, большие тепло потери при транспортировке даже на небольшие расстояния. Поэтому высокотемпературные процессы осуществляются непосредственно в самих агрегатах и проблема теплоснабжения в этих условиях, сводится по существу к проблеме сжигания топлива.

Кроме перечисленных теплоносителей в промышленности для осуществления высокотемпературного воздействия на обезвреживаемый или обезвоживаемый осадок сточных вод теплоносителем, находящимся при атмосферном давлении применяют высококипящие органические теплоносители. К таким относятся: минеральные масла, органические и кремнийорганические соединения, расплавленные металлы и соли.

Характеристика некоторых высокотемпературных теплоносителей:

Таблица 3.1

теплоноситель воздух состояние

Если высокотемпературные теплоносители использовать при температурах ниже точки кипения, то в заполненном ими объеме теплообменного аппарата так же, как и при использовании дымовых газов, избыточное давление может отсутствовать. Для работы с высококипящими теплоносителями пригодны тонкостенные мало металлоемкие теплообменники.

Основными требованиями, предъявляемыми к высокотемпературным теплоносителям, являются:

-высокая температура кипения при атмосферном давлении;

-интенсивный теплообмен;

-низкая температура отвердевания;

-малая активность коррозирующего действия на металлы;

-нетоксичность, невоспламеняемость, взрывобезопастность;

-термическая стойкость и дешевизна.

Наряду с высокотемпературными теплоносителями используются низкотемпературные теплоносители и холодильные агенты, которые кипят при температурах ниже 00С.

Для осуществления процесса трансформации теплоты применяются различного рода рабочие тела, термодинамические и физические свойства которых должны удовлетворять определенным требованиям, зависящим отряда условий: назначения установки, ее схемы, нижнего и верхнего температурного уровней, необходимого ресурса установки и безопасности ее обслуживания.

Рабочие тела могут представлять как чистые вещества, так и смесь веществ. В процессе работы трансформаторов теплоты некоторые рабочие вещества подвергаются фазовым превращениям. В качестве рабочих тел в термомеханических трансформатор теплоты применяются:

-хладагенты - вещества и их смеси, имеющие при давлении 0,1 МПа температуру кипения Тs (при нормальном давлении) 350120 К. При Тs = 350250 К хладагенты используются в большинстве теплонаносных установок, а при Тs = 273120 К - в установках кондиционирования воздуха и холодильных установках;

-криогенты - вещества и их смеси с температурой кипения при атмосферном давлении Тs120 К;

-абсорбционные пары веществ - рабочие агенты и абсорбенты абсорбционных установок (например, H2O - LiBr; NH3 - H2O);

-вода - использование воды в качестве хладагента ограничено сравнительно невысокой температурой ее тройной точки tтт = 0 0С. При этой температуре давление водяного пара очень низкое (ртт = 0,63 кПа), а удельный объем велик(Vтт = 206 м3/кг). Поэтому вода применяется, главным образом, в установках кондиционирования воздуха, где обычно температура теплоотдатчика tн 5 0С.

Требования к хлада- и криоагентам весьма разнообразны и определяются конкретными условиями их использования в различных трансформаторах теплоты.

Давление насыщенных паров холодильного агента, соответствующее требуемым низким температурам, должно быть выше атмосферного или близким к нему, так как вероятность утечек хладагента больше при его избыточном давлении, чем подсос воздуха при вакууме. Подсос воздуха нежелателен потому, что он ухудшает теплопередачу между хладагентом и охлаждающей средой в конденсаторе и охлаждаемой средой в испарителе. Кроме того, влажный воздух содержит водяные пары, которые могут замерзать в трубках испарителя или растворяться в смазывающих компрессор маслах и повышать температуру замерзания масла, а также образовывать с рабочим веществом соединения способствующие коррозии металлических деталей компрессора. Кроме того, присосы воздуха и других неконденсирующихся паров повышают рабочее давление и вызывают перерасход электроэнергии.

Нежелательно высокое давление пара при температуре конденсации, так как при этом удорожается машина, усложняется конструкция сальников, утяжеляются трубопроводы и другие части системы, потому что требуется большая плотность соединений во избежание утечек хладагента. Большинство хладагентов, за исключением углекислоты, этана и некоторых других, имеет умеренные давления пара при применяемых температурах конденсации.

Теплота парообразования хладагента r должна быть по возможности велика, так как она определяет холодильное действие 1 кг хладагента в паровых поршневых компрессионных машинах. Наибольшую теплоту парообразования имеет аммиак, затем идут хлорметил и сернистый ангидрид, имеющие в 3 раза меньшее значение r. Углекислота и фреоны занимают последние места в этом ряду. Отсюда следует, что наибольшее вредное влияние дроссельный регулирующий вентиль оказывает в установках с хладагентами углекислотой и фреоном - 12.

Для повышения внутреннего К.П.Д. турбокомпрессоров холодильный агент должен иметь большой удельный объем пара, чтобы уменьшить потери при дросселировании.

Холодильный агент должен иметь малую теплоемкость жидкости и большую массовую холодопроизводительность.

Хладагенты должны быть химически стабильными и обладать коррозионной пассивностью. Например, аммиак несовместим с применением меди и ее сплавов, однако он не вызывает коррозии стали, фосфористой бронзы, а сернистый ангидрид при соединении с водой образует серную кислоту, разъедающую металлы.

Хладагенты не должны оказывать вредного воздействия на здоровье обслуживающего персонала при неизбежных на практике утечках их паров. Наибольшими отравляющими свойствами обладает сернистый ангидрид (в малых концентрациях - раздражение слизистых оболочек, больших - удушье). Аммиак в слабых концентрациях вызывает слезотечении и кашель, более значительные - поражение кожи, удушье, воспаление глаз, резкие головные боли. Несмотря на сильные токсические действия, аммиак не представляет грозной опасности, так как обладает характерным и резким запахом, по которому малейшая утечка может быть тотчас же обнаружена и устранена. В качестве хладагента широко применяются фреоны - галоидные производные насыщенных углеводородов CnH2n+2, получаемые путем замены атомов водорода атомами хлора Cl, фтора F и брома Br. Химическая формула фреона, полученного на базе углеводорода CnH2n+2 следующая CnHxFyClzBru.

Числа молекул отдельных составляющих, входящих в эти химические соединения связаны зависимостью x+y+z+u=2n+2.

Сокращенное обозначение фреона строится по формуле Ф-N, где N - номер фреона (двух или трехзначное число). Например CF2Cl2 (химическая формула) или Ф - 12 (справа пишется число атомов фтора во фреоне); C3F4Cl4 - или Ф - 214.

Рассмотрим некоторые особенности наиболее распространенных фреонов Ф - 11 (CFCl3), Ф - 21 (CHFCl2),- имеющих высокую нормальную температуру ts, поэтому очень удобных для теплонасосных установок.

Они характеризуются малой удельной объемной холодопроизводительностью поэтому их применяют главным образом в турбокомпрессорных установках. Все эти фреоны малотоксичны.

Хладагенты Ф - 12 и Ф - 22 наиболее распространены в современных компрессионных автоматизированных холодильных установках.

Они широко применяются в поршневых компрессионных установках при температуре испарения t0 -40 0C и в турбокомпрессионных установках при t0 -60 0С. Агенты малотоксичные и в отсутствие влаги коррозии металла не вызывают.

Основные эксплуатационные преимущества фреонов - относительная безвредность и химическая инертность, не горючесть и взрывобезопасность.

Недостатки - низкая вязкость, взаимная растворимость в масле. Учеными также доказано, что значительные утечки фреона способствуют разрушению озонового слоя, поэтому в ряде стран его применение запрещено

Для транспортирования холода от низкотемпературных установок потребителям иногда используют жидкости, температура затвердевания которых существенно ниже Тн. Такие вещества называются хладоносителями. Основные требования к хладоносителям:

-малая вязкость для снижения гидравлических потерь в трубопроводах;

-большая теплоемкость, для снижения расхода хладоносителя и уменьшения необратимых потерь при теплообмене;

-малая коррозионная активность по отношению к черным и цветным металлам;

-химическая стойкость;

-низкая токсичность, не горючесть, взрывобезопасность.

В качестве хладоносителей в холодильных установках, как правило, применяются рассолы, т.е. растворы хлористого натрия NaCl и хлористого кальция CaCl в воде.

Список литературы