Kitobni o'qish: «Незамерзающие теплоносители»

1. Введение

Теплоноситель – жидкость или газ, использующиеся для передачи тепловой энергии. В инженерных системах вода – наиболее часто используемый теплоноситель.

Специальные незамерзающие теплоносители (далее СТ) – это жидкости заводского изготовления с низкой температурой замерзания, имеющие совокупность определенных свойств и предназначенные для использования в технологических системах.

Сегодня «незамерзающие» теплоносители как для систем местного отопления, так и для установок промышленного кондиционирования начинают играть доминирующую роль. Ушли в прошлое времена, когда каждый «умелец» пытался сделать из своей системы нечто уникальное, используя в ней химические рассолы, трансформаторное масло, растворы спиртов или смеси других веществ.

В настоящее время рынок оригинальных незамерзающих теплоносителей выглядит следующим образом (рис. 1.1.).

Рис 1.1. Диаграмма сравнения рынка теплоносителей

За последние десять лет применение СТ увеличилось в 60 раз. Это объясняется не только морозоустойчивостью этих жидкостей, но и рядом свойств (низкая коррозионная активность, защита от накипи, стабильность при длительной эксплуатации), а также грамотностью потребителей и монтажников.

Подавляющее число СТ имеет гликолевую основу, а значит, их свойства (теплоемкость, вязкость, плотность и т. д.) отличаются от свойств простой воды, для которой обычно делаются все гидравлические и тепловые расчеты.

Как говорилось выше, отличие физических свойств воды от других теплоносителей (табл. 1.1) влияет на важнейшие параметры работы системы отопления. Это можно проиллюстрировать сравнением ее свойств с физическими характеристиками одного из самых популярных в России СТ – DIXIS.

Таблица 1.1. Таблица физических характеристик теплоносителя DIXIS

Для снижения коррозионной активности антифризов (СТ) используются ингибиторы коррозии. Также в состав теплоносителя вводят ингибиторы накипеобразования, набухания и растворения резиновых уплотнителей системы отопления, либо кондиционирования, пенообразования.

Ингибиторы – (от лат. Inhibeo – задерживаю) в химии – вещества, тормозящие химические процессы, например, коррозию, полимеризацию, окисление. Относительная масса ингибиторов, добавляемых в реакционную среду, может меняться от долей процента (ингибиторы полимеризации) до нескольких процентов (присадки к смазочным маслам).

Необходимо также отметить, что в настоящее время на рынке антифризов появились новые экономичные антифризы на основе органических солей марки ТЭЖ (ацетата и формиата калия) с температурным диапазоном эксплуатации от +102 до –5 °С.

Где используется

В любых приборах/инженерных системах и др., служащих для передачи/распределения тепла, используется теплоноситель: системы отопления зданий, холодильник, кондиционер, масляный обогреватель, тепловой пункт, котельная, солнечный коллектор, солнечный водонагреватель и др. Например, в солнечных водонагревательных системах используются специальные теплоносители. Основные требования для таких теплоносителей: морозостойкость – до –30 °С и устойчивость к перегревам – до +200 °С. Чаще всего используются теплоносители на основе пропиленгликоля. Это обусловлено его нетоксичностью (является пищевой добавкой Е1520) и соответствию всем заявленным требованиям. Для высокотемпературных гелиосистем (свыше 300 °С) используются специальные типы теплоносителей на основе растворов солей, силикона или масляные теплоносители.

Основные параметры при выборе теплоносителя

Рабочий диапазон температур.

Не существует теплоносителя, способного перекрыть весь диапазон от 0 до, скажем, 3000 К. У каждого вида теплоносителя есть свой рабочий 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.

Теплоемкость.

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.

Определяет силы внутреннего трения, возникающие при движении жидкости.

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.

Температура вспышки, температура воспламенения, токсичность жидкости и ее паров. Вероятность ожогов – как горячих, так и криоожогов.

В США, Германии, Франции и других развитых странах с 1996 г. начался переход на использование только пропиленгликолевых теплоносителей. В России в последнее время их доля от общего объема продаваемых теплоносителей неуклонно растет.

Подавляющее число специальных теплоносителей (СТ) имеет гликолевую основу, а значит, их свойства (теплоемкость, вязкость, плотность и т. д.) отличаются от свойств простой воды.

2. Виды теплоносителей

В современной технике в качестве теплоносителей применяются различные химические жидкости и вода, их спектр чрезвычайно широк. В таблице представлены сравнительные характеристики теплоносителей.

В настоящее время перечисленные в пунктах 1–4 таблицы 2.1 теплоносители почти полностью вытеснены растворами этиленгликоля в связи с тем, что при комплексной оценке свойств (низкой температуре замерзания, большой теплоемкости, высокой температуре кипения, относительно низкой вязкости и ряда других показателей) они наиболее полно отвечают требованиям, предъявляемым к незамерзающим теплоносителям.

Таблица 2.1.

Важнейший параметр для антифризов – максимальные рабочие температуры. Так, кипеть при атмосферном давлении большинство этиленгликолевых растворов начинает при 104–112 °С. Однако некоторые производители, например, Clariant, указывают рабочие температуры значительно выше – до 150 °С. Принципиальное значение этот параметр имеет потому, что, в отличие от воды, при превышении допустимой температуры происходит необратимое разложение гликолевых растворов. Если температура даже в какой-либо точке системы превысит критическое для данной марки антифриза значение – произойдет термическое разложение гликоля и антикоррозионных присадок с образованием кислот и выпадением твердых осадков.

2.1. Вода

Используя в качестве теплоносителя воду, необходимо знать, что не только природная, но даже прошедшая специальную обработку вода всегда содержит различные примеси, а их количество и состав в каждом конкретном случае неодинаковы. В каждом регионе России, городе, городском квартале, поселке «своя», индивидуальная вода, причем ее состав нестабилен и постоянно меняется с течением времени. Каждый последующий литр воды, вытекающий из питьевого крана, по своему составу может отличаться от предыдущего.

От состава воды зависит тип и скорость протекания коррозии оборудования, состав отложений котловой накипи и биологических обрастаний на теплопередающих поверхностях. В конечном счете, всё это отрицательно сказывается на работоспособности систем отопления в целом.

От состава воды зависит тип и скорость протекания коррозии оборудования, состав отложений котловой накипи и биологических обрастаний на теплопередающих поверхностях.

Одним из важных ограничивающих свойств воды, используемой в качестве теплоносителя, является возможность ее применения только при положительных температурах. Замерзшая вода – это выход из строя трубопроводов коммуникаций, радиаторов, ведущий к капитало-, материало– и ресурсоемким ремонтно-восстановительным работам.

Преимущества:

• экологически чистое вещество;

• обладает высокой теплоемкостью;

• относительно низкая вязкость и малые гидравлические потери при циркуляции в системе;

• всегда «под рукой», и ее быстро можно добавить в систему;

• низкая стоимость умягчения и деаэрации.

Рис. 2.1. Природная вода всегда содержит различные примеси, а их состав и количество в каждом конкретном случае неодинаков.

В каждом регионе России, в каждом городе и поселка своя вода, причем ее состав нестабилен.

Недостатки:

• возможность замерзания воды в системе (замерзает при температуре ниже 0 °С) и, как следствие, вывод последней из строя (дом с выключенной, но заполненной системой отопления зимой не оставишь);

• растворение в воде кислорода и диоксида углерода и, вследствие этого, коррозионная активность. Если, во избежание размораживания системы отопления, воду сливают – коррозионные процессы в системе, заполненной воздухом, идут еще быстрее, чем в закрытой, изолированной от воздуха;

• необходимость изменения химического состава воды (умягчение и деаэрация) перед использованием в инженерных системах;

• природная вода характеризуется таким показателем, как жесткость. При температуре воды выше 80 °С начинается интенсивное разложение карбонатов и гидрокарбонатов кальция и магния с отложением накипи на стенках теплообменных устройств, что является причиной ухудшения теплопередачи и снижения эффективности их работы;

• корректировка удельного эл. сопротивления воды в течение отопительного сезона;

• проведение ежегодного ремонта котла.

Основным недостатком солевых растворов является их коррозионная активность, ведущая к образованию продуктов коррозии. Это становится причиной ухудшения теплопередачи, и засорения трубопроводов.

Из патента РФ № 2117024 (МПК 6: С09К 5/00, опубликован 10.08.1998) известен антифриз следующего состава: ортофосфорная кислота – 1,3/1,4; гидроксид натрия – 0,8/1,0; карбонат натрия – 0,10/0,15; натриевая соль 2-меркаптбензтиазола – 0,01/0,05; динатриевая соль этилендиаминтетрауксусной кислоты – 0,03/0,07; пеногаситель – 0,02/0,03; краситель – 0,002/0,003; вода – 0,85/1,50; ингибитор коррозии цветных металлов (капролактам) – 0,02/1,10; этиленгликоль – остальное.

Рис. 2.2. От состава воды зависит тип и скорость протекания коррозии оборудования, состав отложений котловой накипи и биологических обрастаний на теплопередающих поверхностях

Однако, из-за переизбытка натриевых солей в составе система неустойчива, что приводит к расслоению антифриза при хранении и перепадах температур.

Также известен состав антифриза, содержащий: ортофосфорную кислоту, триэтаноламин, натриевую соль 2-меркаптбензтиазола, двуводную динатриевую соль этилендиаминтетрауксусной кислоты, капролактам, дигидроксибензол, фосфит, пеногаситель, краситель, спирт н-бутиловый, воду и этиленгликоль (патент РФ № 2196797, МПК 7: С09К 5/00, опубликован 20.01.2003).

Как показали проведенные испытания, состав известного антифриза характеризуется недостаточной коррозионной стойкостью по отношению к алюминию.

Основными недостатками солевых растворов являются их коррозионная активность, ведущая к образованию продуктов коррозии. Это становится причиной ухудшения теплопередачи, выпадения солей из растворов и засорения трубопроводов. Даже добавление ингибиторов не спасает поверхности нагрева от интенсивного разрушения металлов.

При использовании масла в качестве теплоносителя необходимо помнить, что только правильно подобранное масло может обеспечить нормальную работу системы. Основным недостатком масел является их горючесть, низкая термическая стабильность и повышенная испаряемость.

2.2. Тосол

Часто возникает путаница между понятиями «антифриз» и «тосол». Тосол – название автомобильной охлаждающей жидкости, разработанной в 1971 г. для автомобилей ВАЗ. Первые три буквы аббревиатуры – отдел «технологии органического синтеза», а «ол» добавлено по аналогии с этанолом, бутанолом, метанолом.

За рубежом же термин «антифриз» первоначально применялся к концентрату, который добавляли к воде в системе охлаждения ДВС. При этом акцентировалась лишь его морозозащитная, сезонная функция, не отражающая его свойств как теплообменной среды, которая предохраняет систему от коррозии и повреждений при всех эксплуатационных условиях. Термин engine coolant concentrate («двигательный охладитель концентрированный») охватывает все эти условия и в настоящее время предпочтителен для автомобильной «незамерзайки», а для систем теплоснабжения остался антифриз, который иногда противопоставляется автомобильному тосолу.

За рубежом термин «антифриз» первоначально применялся к концентрату, который добавляли к воде в системе охлаждения ДВС.

Рис. 2.2. За рубежом термин антифриз первоначально применялся к концентрату, который добавляли к воде в системе охлаждения ДВС

Одним из наиболее популярных незамерзающих теплоносителей является тосол, широко используемый в системах охлаждения автомобильных двигателей и представляющий собой водный раствор этиленгликоля с введенными в него присадками. Смесь воды и этиленгликоля обладает уникальным свойством – не замерзать при низких (до –70 °С) температурах. Даже если ее температура опускается ниже точки замерзания, смесь не затвердевает, а частично вымораживается с образованием мелкокристаллических структур льда и жидкой водно-гликолевой фазы более высокой концентрации (соответствующей температуры смеси) при сохранении определенной подвижности вязкой кашеобразной массы. При этом ее объем увеличивается не более чем на 3 %.

Одним из популярных незамерзающих теплоносителей является тосол, используемый в системах охлаждения автомобильных двигателей и представляющий собой водный раствор этиленгликоля с введенными в него присадками.

К сожалению, пакеты присадок обычных автомобильных тосолов не рассчитаны на длительную и интенсивную эксплуатацию в бытовых системах отопления. Поэтому в 1990-х гг. несколькими отечественными компаниями разработано и начато производство специальных антифризов, которые можно использовать в качестве теплоносителей в системах отопления. Основой для них, как и для тосола, стала смесь воды и этиленгликоля, однако пакет присадок изменен таким образом, чтобы теплоноситель удовлетворял следующим основным требованиям: низкие коррозийная активность и пенообразование, предотвращение образования накипи на стенках трубопровода и ее легкое удаление.