25.10.2021

Удельная теплоемкость антифриза: Плотность антифриза 65 (ГОСТ 159–52) и его свойства – 403 — Доступ запрещён

Плотность антифриза 65 (ГОСТ 159–52) и его свойства

В таблице приведена плотность антифриза 65 и значения его теплофизических свойств в зависимости от температуры. Антифриз 65 (водный раствор этиленгликоля или тосол ГОСТ 159–52) имеет температуру замерзания -65°С.

В таблице представлены следующие свойства антифриза: давление пара антифриза Р, кинематическая вязкость ν, плотность антифриза ρ, коэффициент объемного расширения β, удельная теплоемкость Cp, коэффициент теплопроводности λ, температуропроводность a, число Прандтля Pr.

Свойства антифриза в таблице даны в зависимости от температуры (в интервале от -60 до 120°С).

В процессе нагрева антифриза его плотность, а также кинематическая вязкость, температуропроводность и число Прандтля уменьшаются. По данным таблицы при росте температуры особенно заметно уменьшение значений таких свойств антифриза, как кинематическая вязкость и число Прандтля.

Коэффициент объемного расширения антифриза при увеличении температуры имеет слабую тенденцию к росту, то есть антифриз при нагревании расширяется более заметно. Плотность антифриза при увеличении его температуры снижается. Например, при температуре 20°С антифриз, согласно таблице, имеет плотность 1089 кг/м3, а при нагревании до 120°С плотность антифриза уменьшается до значения 1011 кг/м3. Плотность антифриза 65 в нормальных условиях больше плотности воды на 10%, а при температуре выше 120°С приближается к этому значению.

Теплопроводность антифриза слабо зависит от температуры. Удельная теплоемкость антифриза при повышении температуры увеличивается.

Источник:
Тепломассообмен влажного воздуха в компактных пластинчато-ребристых теплообменниках : монография / А.В. Чичиндаев. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. – 298 с.

Коэффициент объемного расширения антифриза

В таблице приведена плотность антифриза 65 и значения его теплофизических свойств в зависимости от температуры. Антифриз 65 (водный раствор этиленгликоля или тосол ГОСТ 159–52) имеет температуру замерзания -65°С.

В таблице представлены следующие свойства антифриза: давление пара антифриза Р, кинематическая вязкость ν

, плотность антифриза ρ, коэффициент объемного расширения β, удельная теплоемкость Cp, коэффициент теплопроводности λ, температуропроводность a, число Прандтля Pr.

Свойства антифриза в таблице даны в зависимости от температуры (в интервале от -60 до 120°С).

В процессе нагрева антифриза его плотность, а также кинематическая вязкость, температуропроводность и число Прандтля уменьшаются. По данным таблицы при росте температуры особенно заметно уменьшение значений таких свойств антифриза, как кинематическая вязкость и число Прандтля.

Коэффициент объемного расширения антифриза при увеличении температуры имеет слабую тенденцию к росту, то есть антифриз при нагревании расширяется более заметно. Плотность антифриза при увеличении его температуры снижается. Например, при температуре 20°С антифриз, согласно таблице, имеет плотность 1089 кг/м 3 , а при нагревании до 120°С плотность антифриза уменьшается до значения 1011 кг/м 3 . Плотность антифриза 65 в нормальных условиях больше плотности воды на 10%, а при температуре выше 120°С приближается к этому значению.

Теплопроводность антифриза слабо зависит от температуры. Удельная теплоемкость антифриза при повышении температуры увеличивается.

Источник:
Тепломассообмен влажного воздуха в компактных пластинчато-ребристых теплообменниках : монография / А.В. Чичиндаев. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2009. – 298 с.

Немного физики

Говорить о температуре закипания антифриза в конкретике тосола некорректно, поскольку, во-первых, тосол имеет определённый химический состав, и его теплофизические характеристики определяются не только температурой, но и давлением. Во-вторых, тосол, создававшийся в своё время исключительно под двигатели отечественного производства, содержит присадки, которые обеспечивают не только эксплуатацию автомобиля при пониженных температурах, но и его защиту от ряда неблагоприятных факторов:

Смазывающего действия тосол, в отличие от антифризов, не оказывает, а снижение износа достигается вследствие уменьшения температуры подвижных элементов привода, при росте которой выбираются зазоры, и коэффициент трения естественным образом увеличивается.

Если с допустимой температурой всё более-менее ясно (не более 90 º С), то с давлением в двигателе дело обстоит сложнее. Для обеспечения защиты двигателя от перегрева тосол прокачивается при повышенных давлениях, что сказывается и на температуре жидкости. Для большинства марок фактическое давление в блоке цилиндров не менее 1,2…1,3 ат: именно тогда, согласно закону Клаузиуса, температурный максимум, необходимый для кипения жидких сред, возрастает. Таким образом, теоретически допустимая температура кипения охлаждающих жидкостей может составлять 110…112 º С.

Какая температура кипения тосола?

Перегрев в двигателях таких популярных охлаждающих сред как Felix А40, Мотюль, Аляска и других связан с недостаточным количеством тосола, неисправностью системы вентиляции двигателя, появлением воздушной пробки, неисправностью системы охлаждения или использованием некачественного хладагента (разбавленного, отработанного и т. п.). Говорить о температуре закипания тосола можно лишь тем владельцам автомобилей, которые допускают значительное превышение давления охлаждающей жидкости и её избыточный объём в системе охлаждения. Иное дело – использование вместо тосола тосолоподобных жидкостей (приобретённых на сомнительных авторынках). Те действительно могут кипеть, причём даже при температурах 90 º С.

Теплофизические свойства тосолов отечественного производства

В двигателях российского производства целесообразно использование тосолов торговых марок Феникс, Sintec и им подобных. Их пределы работоспособности таковы:

  1. Для тосола А40М: -40…+108 º С.
  2. Для тосола А65М: -65…+108 º С.
  3. Для тосола А60М: -60…+105 º С.
  4. Для тосола TL-30 Premium: -30…+108 º С.

При температурах в двигателе, выше, чем указанные, тосол закипает.

Коэффициент объёмного расширения тосола – в пределах 1,09…1,12. Прочие показатели определяются техническими требованиями ГОСТ 28084-89.

Возможную температуру закипания тосола оценивают также и по величине давления:

  • При Р = 1 ат Tкип = 105 º С;
  • При Р = 1,1 ат Tкип = 109 º С;
  • При Р = 1,3 ат Tкип = 112 º С.

Основным производителем тосолов в стране является ПКФ «МИГ и Ко» (г. Дзержинск, Нижегородской обл.).

Во многих регионах России устойчивая работа автономной системы теплоснабжения в осенне-зимний период обеспечивается применением теплоносителя с низкой температурой замерзания. В подавляющем большинстве случаев используются гликолевые смеси, физико-химические характеристики которых отличаются от параметров воды.

У же более полутораста лет назад в России стали широко применяться системы отопления с теплоносителем. В большинстве случаев это было водяное или паровое отопление. Еще примерно через сто лет начался переход от открытых систем отопления к закрытым, важным элементом которых стал расширительный бак (экспансомат), назначение которого состояло в компенсации температурного расширения теплоносителя (рис.1).

Рис. 1. Конструкция современных мембранных баков

В том случае, если автономная система теплоснабжения была изначально спроектирована в расчете на использование в качестве теплоносителя воды, исходя из ее физических параметров подбирался тип и главное объем расширительного бака. Однако гликолевые смеси имеют другой коэффициент объемного теплового расширения, кинематическую вязкость и теплоемкость (

табл.1). Поэтому смена типа теплоносителя с переходом на гликолевые смеси требует и корректировки отопительной системы, в частности, проверки емкости расширительного бака и при необходимости ее коррекции (замены бака).

Для определения массового расхода (М) теплоносителя требуется рассчитать необходимое отопительной системой количества тепла. Затем расход определяется по формуле:

где ΣQi – требуемый тепловой поток , Вт; с – удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/кг•˚С, ∆t =»» t – t – разность температур теплоносителя на входе и выходе из системы, ˚С.

Объемный расход в м 3 /ч определяется делением полученного значения на удельный вес теплоносителя. При смене теплоносителя значение имеет увеличение объемного расхода относительно воды – Va/Vв, где Vа и Vв – соответственно, объемы гликолевой смеси и воды. Причем объем первой зависит также от типа гликоля и его концентрации, которые в свою очередь подбираются, исходя из условий эксплуатации. Например, при понижении температуры замерзания смеси на основе этиленгликоля от –20 до –67 ˚С объемные расходы возрастают на 6 и 12 %, соответственно (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость относительного объемного расширения от температуры теплоносителя:

а – вода; б – водный раствор моноэтиленгликоля 45 %

А в системах ГВС с бойлером косвенного нагрева можно применять только нетоксичный, но, увы, более дорогой пропиленглиголь. Коэффициент теплового расширения его растворов, значительно отличающийся от водяного, близок к соответствующим значениям моноэтиленгликолевых водных растворов (табл.2).

Опасный воздух

Переход на антифриз может приводить к завоздушиванию отопительных систем: ведь он имеет более высокий по сравнению с водой коэффициент объемного расширения и емкости расширительного бака, рассчитанного на ее использование, что может оказаться недостаточно. Поэтому при нагреве теплоносителя до рабочих температур (в среднем 85 ˚С) его излишек может быть сброшен через предохранительный клапан. Затем при снижении тепловой нагрузки потребуется подпитка системы, которая обычно осуществляется водой. Растворенные в ней газы выделятся при нагреве и приведут к образованию воздушных пробок, появление которых чревато уже серьезными авариями.

Минимально необходимый объем расширительного бака в закрытой системе отопления можно рассчитать по формуле:

где V1b – начальный объем теплоносителя в баке при холодной системе отопления, м 3 ; ∆Vr – значение расширения теплоносителя при нагреве до рабочей температуры, м 3 ; P2 – давление в расширительном баке при рабочей температуре, бар; P1 – давление в расширительном баке до заполнения системы теплоносителем, бар.

Значение ∆Vr рассчитывается как произведение общего объема теплоносителя в системе, среднего в рабочем температурном диапазоне коэффициента объемного расширения (k) и этого диапазона. Его значение обычно принимается равным 60 ˚С (∆t =»» tср – t =»» 80 – 20, ˚С).

При переходе с воды на антифриз важно соотношение V2b/V1b, где V2b и V1b –соответственно, объемы расширительного бака для низкотемпературного теплоносителя и воды. Замена ее на гликолевые растворы концентрацией 40–45 % и, соответственно, с температурой начала кристаллизации 30–35 ˚С в отопительных системах мощностью до 100 кВт потребует увеличения номинальных объемов расширительных баков на 5–15 %, в более производительных системах коррекцию лучше проводить, используя графики зависимости объема от мощности и типа теплоносителя (рис.3) или таблицы пересчета.

Рис. 3. Зависимость объема расширительного бака от мощности системы отопления:

а – вода; б – водный раствор моноэтиленгликоля 45 %

Важнейший параметр для антифризов – максимальные рабочие температуры. Кипеть при атмосферном давлении большинство гликолевых растворов начинает при 104–112 °C. Однако некоторые производители заявляют рабочие температуры значительно выше, до 150 ˚С и даже больше, вполне приемлемые для гелиосистем. Принципиальное значение этот параметр имеет потому, что в отличие от воды при превышении допустимой температуры происходит необратимое разложение гликолевых растворов.

Поэтому выбор расширительного бака с запасом на запредельное увеличение температуры смысла не имеет: даже небольшой локальный перегрев приводит к столь серьезным деструктивным изменениям, что должен в принципе потребовать замены всего гликолевого теплоносителя.

Очень важно то, что гликолевые смеси имеют повышенную по сравнению с водой проницаемость или текучесть. Причем вероятность возникновения протечек тем больше, чем больше в отопительной системе соединений. А течи часто обнаруживаются при ее остывании, когда возникают проницаемые для антифриза микроканалы. Поэтому все соединения, выполненные ранее при установке расширительного бака, должны быть доступны для ревизии, не скрыты под облицовкой или замоноличены.

Таблица. 1. Физические характеристики теплоносителей

>

ТЕПЛОНОСИТЕЛИ ЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМ Новости | Компания Теплодом

29.09.2013 00:59

Характеристика теплоносителей жидкостных систем охлаждения


Гольфстрим


Элита


Антифриз Эко-30

 

Назначение охлаждающих жидкостей ДВС – воспринимать и отводить тепловой поток от тех зон и деталей двигателя, перегрев которых вызывает нарушение нормальной работы двигателя или его разрушение.

Эффективность функционирования систем жидкостного охлаждения во многом определяется физическими и химическими свойствами охлаждающей жидкости. Процесс отвода теплоты от двигателя и передача его в окружающую среду зависят от теплоемкости и теплопроводности жидкости: чем выше эти показатели, тем интенсивнее охлаждается двигатель. С увеличением теплоемкости возрастает количество теплоты, которую жидкость способна воспринять при заданном повышении температуры, а с увеличением ее теплопроводности теплота отводится быстрее.

Таким образом, с увеличением теплоемкости можно уменьшить количество жидкости, циркулирующей в системе, а увеличением теплопроводности уменьшить скорость ее циркуляции и получить более равномерную ее температуру и сократить затраты мощности на привод насосов системы охлаждения.

В жидкостных системах охлаждения современных транспортных двигателей внутреннего сгорания применяют два основных типа охлаждающих жидкостей: воду и низкозамерзающие жидкости (антифризы).

Вода как охлаждающая жидкость по многим свойствам превосходит другие известные жидкости. Вода из известных нам теплоносителей обладает самой высокой теплоемкостью (4200 Дж/(кг*К)) и является идеальной тепловоспринимающей жидкостью.. Из десяти теплоносителей, среди которых были натрий, сплав 75% калия и 25% натрия, ртуть, вода, антифризы А-40 и А-65, фреон-12, дизельное топливо, масло М-10Г2 и метиловый спирт, по теплогидравлической эффективности вода уступает только натрию и сплаву калия и натрия, применение которых для охлаждения сопряжено со значительными трудностями, и превосходят все остальные теплоносители. Кроме того, применение таких теплоносителей, как ртуть и фреон-12, недопустимо экологически.

Вода обладает очень большой уделенной теплотой парообразования, что иногда используется в испарительной (пароводяной) системе охлаждения. Исключительная доступность воды, ее практически повсеместные запасы (реки, озера и др.) делают воду очень удобной и дешевой для применения.

Однако вода как охлаждающая жидкость обладает и существенными недостатками, затрудняющими ее применение.

При 0 ºС вода кристаллизуется со значительным увеличением объема (примерно на 10%), в результате чего в системе возникают давления до 200-300 Мпа, способные привести к серьезным повреждениям («размораживанию») системы.

Вода имеет сравнительно низкую температуру кипения (100 ºС при p=0,101 Мпа), что приводит иногда к ее закипанию в радиаторе, поэтому рабочая температура воды в открытой системе охлаждения не должна превышать 90 ºС. При более высоких температурах вода интенсивно испаряется. В разряженной атмосфере ее температура кипения понижается. Поэтому в горных районах с возрастанием высоты понижается предельная температура воды в радиаторе.

Вода хорошо растворяет многие вещества: соли, кислоты, щелочи и газы, такие как кислород, азот углекислоту и др. Поэтому в природе вода, никогда не встречается в абсолютно чистом виде. Большая часть растворенных в ней веществ представляет собой углекислые, хлористые и серно-кислые соли натрия, кальция и магния (до 94%), соли азотной, фосфорной, кремнивой кислот и другие.

Из различных солей, находящихся в растворенном состоянии в воде, особое значение имеют соли кальция и магния. Они придают ей свойства, которые принято называть жесткостью. За единицу жесткости принимают миллиграмм-эквивалент солей на 1л воды (1 мг-экв отвечает содержанию 20,04 мг/л Са++ или 12,16 мг/л Mg++).

Вода, предназначенная для приготовления охлаждающей жидкости, должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к технической воде. Для сравнения в табл. 2.1. приведены свойства питьевой и дистиллированной воды.

Прочерк означает, что данный показатель не регламентируется.

Если в качестве эталона принять физико-химический состав воды Онежского озера, наиболее близкий к требованиям инструкций по эксплуатации , то окажется, что вода Азовско-Донского и Волжско-Камского водно-транспортных бассейнов обладает наихудшим составом, что требует принять специальных мер по ее приготовлению, а также совершенствованию технического обслуживания систем охлаждения дизелей в целом ряде основных регионов России.

Высокая температура замерзания воды и большое объемное расширение ее при замерзании сильно усложняют эксплуатацию двигателей с водяным охлаждением в зимнее время. Поэтому при эксплуатации в условиях низких температур в качестве теплоносителя системы охлаждения вместо воды используется специальные низкозамерзающие жидкости, получившие общее название «антифризы».

Растворение различных неорганических и органических солей в воде позволяет значительно понизить ее температуру замерзания.

Таблица 2.1

Характеристики дистиллированной питьевой

Показатель Вода дистиллированная (ГОСТ 6709-72) Вода питьевая (ГОСТ 2874-82) Вода техническая (котловая) (ГОСТ 200995-75)
Водородный показатель, рН 5,4-6,6 6-9 5-6
Жесткость общая, мг-экв/л, не более 0 7 1,5-3,0
Остаток после выпаривания, мг/л, не более 1 1000 15
Остаток после прокаливания, мг/л, не более 1 1
Содержание химических веществ мг/л, не более:
нитраты 0,2 45
сульфаты 0,5 500
хлориды 0,02 350 < 30
алюминий 0,05 0,5
железо 0,05 0,3
медь 0,02 1,0
мышьяк 0,05
свинец 0,05 0,03
стронций 7,0
цинк 0,2 5,0

Наиболее низкую температуру замерзания дают водные растворы хлористого кальция, хлористого магния и лактата натрия (до – 45 ºС). Солевые растворы обладают высокой электропроводностью и вызывают значительную коррозию металлов системы охлаждения. До настоящего времени не найдено ни одного ингибитора, устраняющего коррозию, вызываемую солевыми антифризами. В качестве антифризов применялись водо-глицириновые смеси, которые обладают высокой температурой кипения. Вследствие высокой стоимости глицерина применение таких смесей экономически нецелесообразно. Кроме того, водо-глицириновые смеси имеют повышенную вязкость, что затрудняет циркуляцию, особенно при запуске холодного двигателя. В качестве антифризов использовались также водные растворы метилового, этилового и изопропилового спиртов. Недостатком их является сильная испаряемость, что вызывает большие потери спирта, и повышение температуры замерзания водо-спиртовой смеси в процессе эксплуатации.

Имеются замедлители испарения, состоящие из смеси минеральных масел с терпентиловыми спиртами. Водно-спиртовые охлаждающие жидкости из-за высокой стоимости и склонности к испарению не получили распространения. Самой распространенной низкозамерзающей жидкостью является смесь воды с двухатомным спиртом – этиленгликолем (СН2-СН2ОН или С2Н4(ОН)2). Смешивается в любых отношениях с водой, спиртами и многими другими растворителями. Не смешивается с бензолом, эфиром, хлороформом. Очень гигроскопичен. Замерзает не четко при температурах от – 12,5 до – 25 ºС, образуя звездчатые или перистые кристаллы.

Теплоемкость чистого этиленгликоля (ЭГ) при разных температурах с достаточной точностью можно вычислить по формуле Нейма и Курлянкина:

Ср=0,5388+0,00112 t, кДж/(кг*К),

где Ср– теплоемкость чистого ЭГ; t – температура, ºС.

 

Технический этиленгликоль применяют в качестве высококипящей жидкости для охлаждения двигателей, работающих в напряженном тепловом режиме.

При использовании этиленгликолевого охлаждения рабочая температура жидкости в системе может быть повышена до 120-130 0С. Этим создается значительно большой перепад температур охлаждающей жидкостиужающего воздуха, чем при применении воды, что способствует более интенсивному охлаждению двигателя.

К недостаткам этиленгликоля как высококипящей охлаждающей жидкости относятся:

  • низкая температура вспышки и в связи с этим пожароопасность;
  • повышенная гигроскопичность, вследствие чего в процессе эксплуатации постепенно увеличивается содержание воды в ЭГ и понижается его температура кипения;
  • высокая подвижность (проницаемость) ЭГ, что повышает требования к соединениям и уплотнениям системы охлаждения двигателя.

 

Отрицательным свойствам этиленгликоля как составной части антифриза является его коррозийное действие на материалы, для предотвращения которого требуется введение соответствующих присадок.

Теплофизические свойства воды и этиленгликоля приведены в табл. 2.2.

Теплоемкость и теплопроводность ЭГ значительно меньше тех же показателей воды. Коэффициент объемного расширения несколько больший. Это еще раз подтверждает, что в чистом виде ЭГ применять для охлаждения двигателей нецелесообразно.

Смеси с водой обладают свойством эвтектических растворов, т.е. их температура застывания ниже, чем у каждого компонента смеси в отдельности. На рис. 2.1. показана эвтектическая диаграмма различных (по соотношению компонентов) смесей воды и этиленгликоля. На диаграмме отчетливо видно, что самую низкую температуру застывания (-75 ºС) имеет смесь, содержащая 33% воды и 67% этиленгликоля. Этим свойством эвтектических растворов пользуются при приготовлении антифризов. Образующий гидрат также имеет низкую температуру застывания. Этиленгликоль весьма устойчив при высокой температуре, распад наступает при t>520 ºС. Термическая устойчивость этиленгликоля и явилась одной из причин широкого применения его в качестве охлаждающей жидкости.

Таблица 2.2

Теплофизические характеристики воды и этиленгликоля

Показатель Вода ЭГ
Формула Н2О С2Н4(ОН)2
Молекулярная масса 18,01 62,07
Плотность при 20ºС, кг/м3 998,2 1113,2
Коэффициент рефракции nd20 1,4318
Температура замерзания, ºС 0 -11,5
Температура кипения при 0,1Мпа, ºС 100 197,7
Удельная теплоемкость, кДж/(кг*ºС)
  при 20 ºС
  при º0С

4,184
2,04

2,422
Упругость насыщенного пара при 105ºС, мм рт.ст. 18
Удельная теплопроводность, кДж/(ч*м*ºС) 2,179 0,955
Вязкость при 20ºС, мм2/с 1,0 19-20
Удельная теплота испарения, Дж/кг 2258 800
Удельная теплота плавления, Дж/кг 532,7 182,3
Коэффициент объемного расширения (в пределах 0-100ºС) 0,00046 0,00062
Температура вспышки, ºС
  в открытом тигле
  в закрытом тигле


116
122
Температура воспламенения, ºС 140
Температура самовоспламенения на воздухе, ºС 416

Смешивание ЭГ с водой сопровождается выделением теплоты. Теплота образования гидрата этиленгликоля С2Н4(ОН)2*2Н2О составляет 2,5 Дж/моль. Максимальный тепловой эффект достигается при смешивании 37% (масс.) ЭГ и 63% воды. Чистый этиленгликоль и его водные растворы имеют строго определенный коэффициент рефракции, который используется как показатель, характеризующий состав. Зависимость между концентрацией ЭГ в водных растворах и коэффициентом рефракции линейная.

В нашей стране выпускаются два типа автомобильных ОЖ: Тосол-А40М и Тосол-А-65М (используется исключительно в районах с очень низкой температурой в зимний период). Первый имеет температуру кристаллизации не выше -400С, второй – не выше -650С. Состав ОЖ Тосол-А40М: этиленгликоль – 53%, вода – 44%, присадки 3%. Состав ОЖ Тосол-А-65М: этиленгликоль – 63%, вода – 33%, присадки 4%.

Показатель концентрации ионов водорода рН антифриза должен быть не выше 7,5-8,5. Жидкости, имеющие повышенную щелочную реакцию, вызывают коррозию алюминиевых и латунных двигателей системы охлаждения. Кислая реакция охлаждающих жидкостей также недопустима. Такие жидкости вызывают коррозию всех металлов системы охлаждения.

Склонность жидкости к вспениванию может послужить препятствием к ее применению в качестве теплоносителя, так как при вспенивании возможно нарушение нормальной работы системы охлаждения и утечки жидкости из системы, поэтому в антифризе содержится пеногаситель.


Коррекция объема расширительного бака

Во многих регионах России устойчивая работа автономной системы теплоснабжения в осенне-зимний период  обеспечивается применением теплоносителя с низкой температурой замерзания. В подавляющем большинстве случаев  используются гликолевые смеси, физико-химические характеристики которых отличаются от параметров воды.

Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.

Уже более полутораста лет назад в России стали широко применяться системы отопления с теплоносителем. В большинстве случаев это  было водяное или паровое отопление. Еще примерно через сто лет начался переход от открытых систем отопления к закрытым, важным элементом которых стал расширительный бак (экспансомат), назначение которого состояло в компенсации температурного расширения теплоносителя (рис.1).

Рис.  1. Конструкция современных мембранных баков

В том случае, если автономная система теплоснабжения была изначально спроектирована в расчете на использование в качестве теплоносителя воды, исходя из ее физических параметров подбирался тип и главное объем расширительного  бака. Однако гликолевые смеси имеют другой коэффициент объемного теплового расширения, кинематическую вязкость и теплоемкость (табл.1). Поэтому смена типа теплоносителя с переходом на гликолевые смеси требует и корректировки отопительной системы, в частности, проверки емкости расширительного бака и при необходимости ее коррекции (замены бака).

Для определения массового расхода (М) теплоносителя требуется рассчитать необходимое отопительной системой количества тепла. Затем расход определяется по формуле:

M = 3,6 × ΣQi/c × ∆t), кг/ч,

где ΣQi – требуемый тепловой поток , Вт; с – удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/кг•˚С, ∆t = t – t – разность температур теплоносителя на входе и выходе из системы, ˚С.

Объемный расход в м3/ч определяется делением полученного значения на удельный вес теплоносителя. При смене теплоносителя значение имеет увеличение объемного  расхода относительно воды – Va/Vв, где Vа и Vв – соответственно, объемы гликолевой смеси и воды. Причем объем первой зависит также от типа гликоля и его концентрации, которые в свою очередь подбираются, исходя из условий эксплуатации. Например, при понижении температуры замерзания смеси на основе этиленгликоля от –20 до –67 ˚С объемные расходы возрастают на 6 и 12 %, соответственно (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость  относительного объемного расширения от температуры теплоносителя:

а – вода; б – водный раствор моноэтиленгликоля 45 %

А в системах ГВС с бойлером косвенного нагрева можно применять только нетоксичный, но, увы, более дорогой пропиленглиголь. Коэффициент теплового расширения его растворов, значительно отличающийся от водяного, близок к соответствующим  значениям моноэтиленгликолевых водных растворов (табл.2).

Опасный воздух

Переход на антифриз может приводить к завоздушиванию отопительных систем: ведь он имеет более высокий по сравнению с водой коэффициент объемного расширения и емкости расширительного бака, рассчитанного на ее использование, что может оказаться недостаточно.  Поэтому при нагреве теплоносителя до рабочих температур (в среднем 85 ˚С) его излишек может быть сброшен через предохранительный клапан. Затем при снижении тепловой нагрузки потребуется подпитка системы, которая обычно осуществляется водой. Растворенные в ней газы выделятся при нагреве и приведут к образованию  воздушных пробок, появление которых чревато уже серьезными авариями.

Минимально необходимый объем расширительного бака в закрытой системе отопления можно рассчитать по формуле:

Vb = (V1b + ∆Vr) × (P2 + 1)/( P2 + P1), м3,

где V1b – начальный объем теплоносителя в баке при холодной системе отопления, м3; ∆Vr – значение расширения теплоносителя при нагреве до рабочей температуры, м3; P2 – давление в расширительном баке при рабочей температуре, бар; P1 – давление в расширительном баке до заполнения системы теплоносителем, бар.

Значение ∆Vr рассчитывается как произведение общего объема теплоносителя в системе, среднего в рабочем температурном диапазоне коэффициента объемного расширения (k)  и этого диапазона. Его значение обычно принимается равным 60 ˚С (∆t = tср – t0 = 80 – 20, ˚С).

При переходе с воды на антифриз важно соотношение V2b/V1b, где V2b и V1b  –соответственно, объемы расширительного бака для низкотемпературного теплоносителя и воды. Замена ее на гликолевые растворы концентрацией 40–45 % и, соответственно, с температурой начала кристаллизации 30–35 ˚С в отопительных системах мощностью до 100 кВт потребует увеличения номинальных объемов расширительных баков на 5–15 %, в более производительных системах коррекцию лучше проводить, используя графики зависимости объема от мощности и типа теплоносителя (рис.3) или таблицы пересчета.

Рис. 3. Зависимость объема расширительного бака от мощности системы отопления:

а – вода; б – водный раствор моноэтиленгликоля 45 %

Важнейший параметр для антифризов – максимальные рабочие температуры. Кипеть при атмосферном давлении большинство гликолевых растворов начинает при 104–112 °C. Однако некоторые производители заявляют рабочие температуры значительно выше, до 150 ˚С и даже больше,  вполне приемлемые для гелиосистем. Принципиальное значение этот параметр имеет потому, что в отличие от воды при превышении допустимой температуры происходит необратимое разложение гликолевых растворов.

Поэтому выбор расширительного бака с запасом на запредельное увеличение температуры смысла не имеет: даже небольшой локальный перегрев приводит к столь серьезным деструктивным изменениям, что должен в принципе потребовать замены всего гликолевого теплоносителя.

Очень важно то, что гликолевые смеси имеют повышенную по сравнению с водой проницаемость или текучесть. Причем вероятность возникновения протечек тем больше, чем больше в отопительной системе соединений. А течи часто обнаруживаются при ее остывании, когда возникают проницаемые для антифриза микроканалы. Поэтому все соединения, выполненные ранее при установке расширительного бака, должны быть доступны для ревизии, не скрыты под облицовкой или замоноличены.

Таблица. 1. Физические характеристики теплоносителей

Параметр

Единица измерения

Вода

Моноэтиленгликоль

45 %

Моноэтиленгликоль

60 %

Температура замерзания

         °С

     0

               –30

               –48

Плотность*

      кг/м3

  972

                1029

                1048

Теплоемкость*

кДж/кг×°С

  4,2

                 3,7

                   3,5

Кинематическая вязкость*

       сСт

  0,37

                 1,4

                  1,8

Коэффициент объемного теплового расширения

        °С-1

4,5×10-4

               5,3×10-4

                6,0×10-4

*При t = 80 °С

Таблица 2. Физические характеристики водного раствора пропиленгликоля 47 %

               Параметр

      Единица измерения

                 Значение

Температура замерзания

                        °С

                        –30

Плотность*

                     кг/м3

                          999

Теплоемкость*

                 кДж/кг×°С

                          3,82

Коэффициент расширения

                      °С-1

                        6,73×10–4

Статья опубликована в журнале «Аква-Терм» №3 (87) 2015, рубрика «Мастер-класс»

Опубликовано: 02 ноября 2015 г.

вернуться назад

Читайте так же:

Таблицы удельной теплоемкости веществ: газов, жидкостей, металлов, продуктов

АБС пластик 1300…2300
Аглопоритобетон и бетон на топливных (котельных) шлаках 840
Алмаз 502
Аргиллит 700…1000
Асбест волокнистый 1050
Асбестоцемент 1500
Асботекстолит 1670
Асбошифер 837
Асфальт 920…2100
Асфальтобетон 1680
Аэрогель (Aspen aerogels) 700
Базальт 850…920
Барит 461
Береза 1250
Бетон 710…1130
Битумоперлит 1130
Битумы нефтяные строительные и кровельные 1680
Бумага 1090…1500
Вата минеральная 920
Вата стеклянная 800
Вата хлопчатобумажная 1675
Вата шлаковая 750
Вермикулит 840
Вермикулитобетон 840
Винипласт 1000
Войлок шерстяной 1700
Воск 2930
Газо- и пенобетон, газо- и пеносиликат, газо- и пенозолобетон 840
Гетинакс 1400
Гипс формованный сухой 1050
Гипсокартон 950
Глина 750
Глина огнеупорная 800
Глинозем 700…840
Гнейс (облицовка) 880
Гравий (наполнитель) 850
Гравий керамзитовый 840
Гравий шунгизитовый 840
Гранит (облицовка) 880…920
Графит 708
Грунт влажный (почва) 2010
Грунт лунный 740
Грунт песчаный 900
Грунт сухой 850
Гудрон 1675
Диабаз 800…900
Динас 737
Доломит 600…1500
Дуб 2300
Железобетон 840
Железобетон набивной 840
Зола древесная 750
Известняк (облицовка) 850…920
Изделия из вспученного перлита на битумном связующем 1680
Ил песчаный 1000…2100
Камень строительный 920
Капрон 2300
Карболит черный 1900
Картон гофрированный 1150
Картон облицовочный 2300
Картон плотный 1200
Картон строительный многослойный 2390
Каучук натуральный 1400
Кварц кристаллический 836
Кварцит 700…1300
Керамзит 750
Керамзитобетон и керамзитопенобетон 840
Кирпич динасовый 905
Кирпич карборундовый 700
Кирпич красный плотный 840…880
Кирпич магнезитовый 1055
Кирпич облицовочный 880
Кирпич огнеупорный полукислый 885
Кирпич силикатный 750…840
Кирпич строительный 800
Кирпич трепельный 710
Кирпич шамотный 930
Кладка «Поротон» 900
Кладка бутовая из камней средней плотности 880
Кладка газосиликатная 880
Кладка из глиняного обыкновенного кирпича 880
Кладка из керамического пустотного кирпича 880
Кладка из силикатного кирпича 880
Кладка из трепельного кирпича 880
Кладка из шлакового кирпича 880
Кокс порошкообразный 1210
Корунд 711
Краска масляная (эмаль) 650…2000
Кремний 714
Лава вулканическая 840
Латунь 400
Лед из тяжелой воды 2220
Лед при температуре 0°С 2150
Лед при температуре -100°С 1170
Лед при температуре -20°С 1950
Лед при температуре -60°С 1700
Линолеум 1470
Листы асбестоцементные плоские 840
Листы гипсовые обшивочные (сухая штукатурка) 840
Лузга подсолнечная 1500
Магнетит 586
Малахит 740
Маты и полосы из стекловолокна прошивные 840
Маты минераловатные прошивные и на синтетическом связующем 840
Мел 800…880
Миканит 250
Мипора 1420
Мрамор (облицовка) 880
Настил палубный 1100
Нафталин 1300
Нейлон 1600
Неопрен 1700
Пакля 2300
Парафин 2890
Паркет дубовый 1100
Паркет штучный 880
Паркет щитовой 880
Пемзобетон 840
Пенобетон 840
Пенопласт ПХВ-1 и ПВ-1 1260
Пенополистирол 1340
Пенополистирол «Пеноплекс» 1600
Пенополиуретан 1470
Пеностекло или газостекло 840
Пергамин 1680
Перекрытие армокерамическое с бетонным заполнением без штукатурки 850
Перекрытие из железобетонных элементов со штукатуркой 860
Перекрытие монолитное плоское железобетонное 840
Перлитобетон 840
Перлитопласт-бетон 1050
Перлитофосфогелевые изделия 1050
Песок для строительных работ 840
Песок речной мелкий 700…840
Песок речной мелкий (влажный) 2090
Песок сахарный 1260
Песок сухой 800
Пихта 2700
Пластмасса полиэфирная 1000…2300
Плита пробковая 1850
Плиты алебастровые 750
Плиты древесно-волокнистые и древесно-стружечные (ДСП, ДВП) 2300
Плиты из гипса 840
Плиты из резольноформальдегидного пенопласта 1680
Плиты из стеклянного штапельного волокна на синтетическом связующем 840
Плиты камышитовые 2300
Плиты льнокостричные изоляционные 2300
Плиты минераловатные повышенной жесткости 840
Плиты минераловатные полужесткие на крахмальном связующем 840
Плиты торфяные теплоизоляционные 2300
Плиты фибролитовые и арболит на портландцементе 2300
Покрытие ковровое 1100
Пол гипсовый бесшовный 800
Поливинилхлорид (ПВХ) 920…1200
Поликарбонат (дифлон) 1100…1120
Полиметилметакрилат 1200…1650
Полипропилен 1930
Полистирол УПП1, ППС 900
Полистиролбетон 1060
Полихлорвинил 1130…1200
Полихлортрифторэтилен 920
Полиэтилен высокой плотности 1900…2300
Полиэтилен низкой плотности 1700
Портландцемент 1130
Пробка 2050
Пробка гранулированная 1800
Раствор гипсовый затирочный 900
Раствор гипсоперлитовый 840
Раствор гипсоперлитовый поризованный 840
Раствор известково-песчаный 840
Раствор известковый 920
Раствор сложный (песок, известь, цемент) 840
Раствор цементно-перлитовый 840
Раствор цементно-песчаный 840
Раствор цементно-шлаковый 840
Резина мягкая 1380
Резина пористая 2050
Резина твердая обыкновенная 1350…1400
Рубероид 1500…1680
Сера 715
Сланец 700…1600
Слюда 880
Смола эпоксидная 800…1100
Снег лежалый при 0°С 2100
Снег свежевыпавший 2090
Сосна и ель 2300
Сосна смолистая 15% влажности 2700
Стекло зеркальное (зеркало) 780
Стекло кварцевое 890
Стекло лабораторное 840
Стекло обыкновенное, оконное 670
Стекло флинт 490
Стекловата 800
Стекловолокно 840
Стеклопластик 800
Стружка деревянная прессованая 1080
Текстолит 1470…1510
Толь 1680
Торф 1880
Торфоплиты 2100
Туф (облицовка) 750…880
Туфобетон 840
Уголь древесный 960
Уголь каменный 1310
Фанера клееная 2300…2500
Фарфор 750…1090
Фибролит (серый) 1670
Циркон 670
Шамот 825
Шифер 750
Шлак гранулированный 750
Шлак котельный 700…750
Шлакобетон 800
Шлакопемзобетон (термозитобетон) 840
Шлакопемзопено- и шлакопемзогазобетон 840
Штукатурка гипсовая 840
Штукатурка из полистирольного раствора 1200
Штукатурка известковая 950
Штукатурка известковая с каменной пылью 920
Штукатурка перлитовая 1130
Штукатурка фасадная с полимерными добавками 880
Шунгизитобетон 840
Щебень и песок из перлита вспученного 840
Щебень из доменного шлака, шлаковой пемзы и аглопорита 840
Эбонит 1430
Эковата 2300
Этрол 1500…1800

Стоит ли заливать антифриз в систему отопления? —

Скажу сразу, что на этот вопрос невозможно ответить однозначно, тем более дать ответ сразу и для всех. Подбирать жидкость для системы отопления следует только посоветовавшись со специалистом и взвесив все плюсы и минусы применительно к вашим требованиям и используемому оборудованию. Также стоит заметить, что в виду того, что антифризы и вода имеют различные свойства, такие как вязкость, текучесть, температурное расширение, теплоемкость и теплопроводность, вся система отопления должна изначально расчитываться под планируемый к использованию теплоноситель.

В современных системах отопления теплоносителем может выступать не только вода, но и специальная жидкость — антифриз. Его применение особенно актуально в российских условиях: холодная зима плюс периодические отключения электроэнергии могут спровоцировать настоящую катастрофу. Вода в батареях перемерзает, «рвет» трубы, в итоге всю систему приходится менять — что, как правило, стоит и денег, и времени. Антифриз — жидкость с более низкой, чем у воды, температурой замерзания. Такой теплоноситель не разорвет батареи, даже если они заморожены до экстремально низких температур. Разновидностей антифризов немало — они различаются по составу, текучести, порогу замерзания, составу присадок (специальных добавок, влияющих на свойства этого теплоносителя: например, можно защитить от коррозии трубы или уплотнители). В России в основном распространены антифризы на основе этиленгликоля. Температура замерзания, в зависимости от концентрации вещества, колеблется в диапазоне от -10 до -68 градусов по Цельсию.


Но не стоит думать, что антифриз это панацея.
  • Нельзя безбоязненно оставлять в зиму дом с заправленной антифризом системой. дело в том, что антифриз при сильных отрицательных температурах не замерзает а гелизуется. И зачастую циркулляционные насосы неспособны прокачать систему при запуске ее в мороз.
  • При намерении оставлять систему на зимовку, стоит подумать о системе водоснабжения, ведь в нее антифриз уже не закачаешь.
  • Антифризы не подходят для использования в системах с теплоаккумуляторами в связи с очень большой стоимостью таких реализаций и очень плохой теплоемкости.
  • В паспорте любого котла отопления имеется хитрая запись, теплоноситель — вода. Это означает что использование антифриза автоматически лишает котел как сосбтвенно и любое другое оборудование которое не предназначено для работы с конкретным типом антифриза. Некоторые производители ради маркетинга добавляют приписки что разрешается использование некоторых антифризов, но зачастую там же указывают, что неисправность вызванная им будет являться негарантийной. По нашей практике наиболее чувствительными к применению антифризов являются электрокотлы.
  • Антифризы необходимо периодически заменять, так как после прошествии определенного времени они начинают разлагаться и терять свойства. И самое неприятное, что утилизируется он как опасное вещество. Кстати на приложенной картинке как раз показан случай пренебрежения данным правилом.

Также, в дополнение вышесказанному, не ставя в данной публикации рекламных целей и не проводя конкурентных сопоставлений «незамерзающих» теплоносителей различных производителей, необходимо дать объективную оценку особенностей их применения в различных инженерных системах, информировать и подготовить потребителя к тем проблемам, которые возникают при их эксплуатации.

В качестве «незамерзающего» теплоносителя наиболее часто используется довольно широкий спектр водных смесей на основе моноэтиленгликоля с комплексными присадками, обеспечивающими стабильность свойств, низкую коррозионную активность, антивспенивающиеся, антиокислительные свойства и безнакипный режим работы системы. Вместе с тем, в основном, гидравлические и тепловые расчеты инженерных систем здания выполняются для воды, а достаточно высокие концентрации моноэтиленгликоля в теплоносителе существенно изменяют его наиболее важные физические свойства:

— вязкость;

— теплоемкость;

— плотность;

— теплопроводность;

— коэффициент объемного расширения и др.

Нарушение гидравлического режима работы системы отопления потребитель начинает обнаруживать как по косвенным признакам – интенсивно забиваются сетчатые фильтры системы отопления, зарастает шламовыми отложениями крыльчатка циркуляционных насосов, так и по снижению теплоотдачи отдельных отопительных приборов из-за гидравлической разрегулировки и попадания воздуха в систему, по сбоям в работе теплогенератора, сопровождающимся падением его тепловой мощности или даже разрушением поверхностей нагрева вследствие образования внутренних отложений. Для правильной оценки влияния специфических свойств водногликолевых теплоносителей (ВГТ) на работу инженерных систем здания необходимо проанализировать и систематизировать гидравлические процессы и теплообмен в них по самым важным параметрам работы – температурному уровню и удельным тепловым потокам. Так, для первой группы оборудования – теплоутилизаторов и воздухоохладителей систем вентиляции и кондиционирования воздуха, гелиоприемников, отопительных приборов и элементов теплых полов, теплообменников закрытых систем горячего водоснабжения – режимы работы ВГТ характеризуются относительно низкими температурами и теплообменными процессами, по своей интенсивности близкими к свободной конвекции. Процессы же нагрева теплоносителя во второй группе оборудования – электронагревателях, котлах и теплогенераторах (особенно проточного типа) – сопровождаются значительными градиентами температур и мощными удельными тепловыми потоками.

Обозначения

DР – потери давления, Па

t – температура, °C

w – скорость движения теплоносителя, м/с

r – плотность теплоносителя, кг/м3

l – коэффициент теплопроводности, Вт/м•°C

c – изобарная массовая теплоемкость, КДж/кг•°C

n – кинематический коэффициент вязкости, м2

dэ – эквивалентный диаметр, м

a – коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/м2•°C

F – поверхность теплообмена, м2

Q – тепловой поток, Вт

в – вода

т – водногликолевый теплоноситель

вн – внутренний

н – наружный

ст – при температуре стенки

Попытки анализа влияния на теплогидравлический режим работы системы отопления свойств водногликолевого теплоносителя проводились многими авторами, и, в частности, в работе [1] наиболее полно проведено сравнение расходов теплоносителя, потерь давления и особенностей выбора объема расширительного сосуда в системе отопления на примере ВГТ Dixis-30 и Dixis-65. Вместе с тем в указанной работе сделаны не вполне корректные количественные выводы о росте гидравлического сопротивления только по величине потерь давления на трение в гидравлически гладких трубах, без учета местных сопротивлений и для условий постоянной температуры сопоставления свойств воды и ВГТ, равной 80 °C. Столь высокий температурный уровень практически имеет место в подающих магистралях радиаторных систем отопления в периоды с низкими отрицательными температурами наружного воздуха, близкими к расчетным температурам отопления. Поэтому при сопоставлении не следовало ограничиваться одним значением температуры, далеко не самым характерным в режимах эксплуатации, а рассмотреть и «крайние» режимы, например, режим запуска после останова, с температурой теплоносителяt=20 °C. В этом случае рост потерь давления в системе отопления при сопоставлении с налогичной величиной при использовании воды с температурой 80 °C составит уже не 1,54 (при расчете по методике изложенной в [1]), а значение:

т. е. гидравлические потери в системе возрастут почти в два раза.

Однако для относительно «вялых» гидравлических режимов и условий теплообмена в оборудовании первой группы и, в частности, в отопительных приборах наибольшее термическое сопротивление имеет место на внешней поверхности. Так, внешний коэффициент теплоотдачи при естественной конвекции в воздухе aн не превышает 20 Вт/м2•°C, а внутренний коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя aвн ~ 400–600 Вт/м2•°C. Поэтому даже существенное ухудшение условий теплообмена на внутренней поверхности не окажет решающего влияния на процесс теплопередачи (не более чем на 2–3 %).

Зона перегрева.
Начало процесса образования внутренних отложений продуктов деструкции моноэтиленгликоля

Рис. 1.

Внешний вид комбинированного (двухконтурного) теплообменника проточного газового котла

Совершенно иначе обстоит дело в поверхностях нагрева теплогенераторов систем отопления, где отдельные участки поверхностей нагрева в топке имеют весьма значительные удельные тепловые напряжения (qF, Вт/м2) как со стороны дымовых газов (часто развитые оребренные поверхности), так и приведенные к внутренней поверхности, охлаждаемой теплоносителем. Например, для настенного газового котла Saunier Duval SD-235 полная геометрическая поверхность оребренного проточного двухконтурного теплообменника (рис. 1) составляетF=4,9м2 при внутренней поверхности гладких труб теплообменника FTP = 0,12 м2. Работа котла в номинальном режиме Q=35 кВт характеризуется средним удельным тепловым напряжением полной поверхности нагрева:

а аналогичная величина в расчете на гладкую поверхность охлаждаемой трубки теплообменника составляет:

Столь значительные тепловые потоки для трубок теплообменника приводят к существенным перепадам температур по толщине стенки и между стенкой и потоком теплоносителя, в значительной степени зависящим от условий охлаждения. Чем эффективнее охлаждение, т. е. чем больше значение коэффициента теплоотдачи от стенки к теплоносителю, тем ниже температура металла стенки при идентичной тепловой нагрузке. Поэтому при осуществлении перевода теплогенератора на ВГТ необходимо, прежде всего, предварительно оценить изменение условий теплообмена на внутренней стороне тепловоспринимающей поверхности котла. Для сравнительной оценки используется уравнение подобия [2] для турбулентного течения (Re > 10 000) жидкости в гладких трубах:

Nu = 0,021 Re0,8 Pr0,43(Pr/PrСТ)0,25,

в котором за определяющий размер принят эквивалентный диаметр (dэ), за определяющую температуру – средняя температура жидкости.

Nu = a dэ /l – число Нуссельта;

Re = w dэ /v – критерий Рейнольдса;

Pr = v cr/l – критерий Прандтля.

Для идентичных условий течения теплоносителей (одинаковый объемный расход, а следовательно, и скорость движения теплоносителя) в аналогичных поверхностях нагрева котлов, после записи входящих величин в явных переменных, можно получить относительные значения искомых величин:

aT /aB = (lT / lB)0,57 • (nB /nT)0,37• (rT /rB)0,43 • (cT /cB)0,43.

Последняя зависимость получена при допущении, что характер изменения теплофизических свойств теплоносителей в рассматриваемом диапазоне температур примерно такой же и соотношение  не оказывает существенного влияния (оценивается не более 3–5 %) на конечный результат. Для проведения количественной оценки в расчетах для воды и ВГТ на основе моноэтиленгликоля (с температурой начала кристаллизации -30 °C) использовались приведенные ниже значения физических величин (см. табл.).

Величина Плотность r,
кг/дм3
Теплоем-
кость С,
кДж/кг•°C
Теплопро-
водность l,
Вт/м•°С
Кинематическая
вязкость,
n•106 м2
Вода 80 °C 
20 °C
0,972
0,998
4,195
4,183
0,669
0,599
0,366
1,006
ВГТ (-30) 80 °C 
20 °C
1,029
1,062
3,680
3,436
0,469
0,455
1,351
3,686

Соотношение коэффициентов конвективной теплоотдачи для ВГТ (aT) и воды (aв) при принятых значениях составляет:

aT /aB = (0,169/0,669)0,57 • (0,366•10-6/1,351•10-6)0,37 •

(1,029/0,972)0,43 • (3,680/4,195)0,43 = 0,488.

Таким образом, использование ВГТ (-30) вместо воды при идентичных условиях приводит к снижению коэффициента конвективной теплоотдачи более чем в два раза, что обуславливает рост температуры металла стенки и теплоносителя в пограничном, пристенном слое потока ВГТ. Используя то же уравнение подобия можно определить необходимое увеличение скорости движения ВГТ (-30) для достижения идентичных с водой условий конвективного теплообмена:

aT = aB , или aT /aB = 1 при wT~2,4wB.

Полученное значение показывает, что для достижения одинаковых условий теплоотдачи на поверхности, скорость потока ВГТ (-30) должна почти в 2,5 раза превосходить скорость движения воды. Столь существенный рост скорости движения теплоносителя вызывает увеличение гидравлического сопротивления системы (участка):

DР ~ f (w2) ~ (2,4)2 ~ 5,8 раз.

С учетом выводов, сформулированных в работе [1], полученное значение роста гидравлического сопротивления по отношению к гидравлическому сопротивлению системы при использовании воды должно быть увеличено для более вязкого ВГТ (-30) еще в ~1,5 раза. Таким образом, при замене в системе теплоснабжения и в теплогенераторе воды на водногликолевый теплоноситель (в данном примере ВГТ на основе моноэтиленгликоля, с температурой начала кристаллизации -30 °C), для сохранения условий теплообмена в источнике теплоты расход теплоносителя через него должен быть увеличен в ~2,5 раза, что потребует питательный насос с напором, в ~8,7 раза превышающим напор, развиваемый аналогичным насосом при использовании воды. Ухудшение теплообмена на поверхностях нагрева котлов приводит к перегреву стенки и росту температуры ВГТ в примыкающих к поверхности теплообмена слоях теплоносителя, что, несмотря на использование присадок в ВГТ, при температуре около 150 °C приводит к деструкции моноэтиленгликоля, сопровождающейся образованием отложений на поверхности нагрева и последующим частичным переносом их в объем теплоносителя. Начало процесса отложения продуктов деструкции моноэтиленгликоля вызывает еще больший перегрев стенки котла, сопровождающийся дальнейшей интенсификацией негативных процессов.

Отложение продуктов термической деструкции моноэтиленгликоля в отопительном контуре комбинированного теплообменника Накипь в контуре горячего водоснабжения комбинированного теплообменника, вызванная перегревом внутренних трубок в зоне отложений
В топку теплогенератора

Рис. 2.

Поперечный разрез комбинированного теплообменника в зоне внутренних отложений

Полученные результаты показывают, что для теплогенераторов с высоконапряженными топками невозможна простая замена воды на ВГТ. Это, в первую очередь, относится к проточным конструкциям котлов (одно- и двухконтурные термоблоки), с наиболее форсированными тепловыми режимами в теплообменниках с высокой степенью оребрения. В то же время необходимо учитывать и режимные особенности работы котлов. Так, для проточных (малоинерционных) котлов, включая настенные, характерно позиционное регулирование «включено/выключено» с максимальными нагрузками, сопровождающими режимы пуска/останова циркуляции теплоносителя, при которых имеют место кратковременные перегревы стенок теплообменника. Это еще более остро ставит задачу исключения перегрева теплоносителя, поэтому в проточных котлах (в том числе одно- и двухконтурных термоблоках) практически однозначно необходимо исключить использование ВГТ.

Смешанные отложения накипи и продуктов деструкции моноэтиленгликоля

Рис. 3.

Продольный разрез комбинированного теплообменника в зоне отложений (смешанные отложения накипи и продуктов деструкции моноэтиленгликоля), отопительный контур

Особое внимание к условиям работы теплогенератора на ВГТ нужно уделять при эксплуатации чугунных котлов, очень чувствительных к перегреву металла и воздействиям термической деформации на секционную конструкцию. Для них наиболее «жесткими» оказываются режимы запуска системы из относительно холодного состояния при низких температурах теплоносителя, сопровождающиеся повышенной вязкостью ВГТ. Так, используя приведенные в таблице данные по теплофизическим свойствам теплоносителя ВГТ (-30) и воды при температуре 20 °C, можно провести оценку снижения коэффициента теплоотдачи в ВГТ (-30). Сравнение показывает, что если даже допустить турбулентное течение теплоносителя, коэффициент теплоотдачи на поверхности нагрева котла будет более чем в два раза ниже (как и для 80 °C) из-за пропорционального роста вязкости воды и ВГТ (-30). Однако более чем 3,5-кратный рост вязкости ВГТ (-30) при 20 °C существенно снижает подачу циркуляционного насоса, что не позволяет до прогрева системы обеспечить требуемый для надежного охлаждения поверхностей нагрева котла расход теплоносителя. Поэтому запуск чугунных котлов при использовании ВГТ необходимо производить на минимальной мощности топочного устройства с постепенным выходом на режим. Процессы образования отложений продуктов термической деструкции моноэтиленгликоля на поверхностях нагрева емкостных котлов связаны с низкими рабочими скоростями движения в них теплоносителя (обусловленными большим живым сечением котла, что характерно как для стальных жаротрубных, так и для чугунных секционных котлов) – порядка 0,01–0,05 м/с, сопоставимыми с естественной конвекцией в стесненных условиях. В этом случае локальный перегрев возможен на участках с максимальными тепловыми потоками, т. е. в топке котла в зонах максимальных температур факела и повышенной турбулентности газового потока продуктов сгорания высокой температуры. Образование локальных отложений продуктов деструкции моноэтиленгликоля приводит не только к перегреву стенки котла, но и к смыванию потоком теплоносителя части отложений и переносу их в фильтры и грязевики систем теплоснабжения, зарастанию теплообменников, налипанию на крыльчатку циркуляционного насоса, приводящему к дальнейшему ухудшению циркуляции теплоносителя. Поэтому в ряде случаев весьма ограничена возможность применения теплоносителей на основе моноэтиленгликоля, а в случае их использования необходима регулярная замена теплоносителя (не реже одного раза в два года) в связи со «старением» и уменьшением активности пакета присадок.

Еще более осторожно необходимо подходить к применению незамерзающих жидкостей на основе пропиленгликоля – они экологически более безопасны, но имеют еще большую вязкость при меньшей теплопроводности по отношению к теплоносителям, содержащим моноэтиленгликоль.

таблицы при различных температуре и давлении

Приведены таблицы значений удельной теплоемкости воды H2O и водяного пара в зависимости от температуры и давления. В первой таблице дана удельная теплоемкость воды в жидком состоянии при нормальном атмосферном давлении и температуре от 0,1 до 100°С.

Во второй таблице значения теплоемкости указаны в интервале температуры от 0 до 800°С и давлении от 0,1 до 100 бар. Вода в этих условиях может находится в жидком или газообразном состоянии, поскольку с понижением давления и (или) с ростом температуры она переходит в пар.

Жидкая вода обладает значительной величиной массовой удельной теплоемкости, по сравнению с другими жидкостями. При атмосферном давлении и температуре до 100°С она находится в виде жидкости и ее теплоемкость изменяется в диапазоне от 4174 до 4220 Дж/(кг·град).

При температуре 20 градусов Цельсия и нормальном атмосферном давлении удельная теплоемкость воды равна 4183 Дж/(кг·град). При температуре 100°С эта величина достигает значения 4220 Дж/(кг·град).

Изменение давления и температуры воды существенно влияет на ее удельную теплоемкость. Зависимость теплоемкости воды от температуры при атмосферном давлении не линейна. При нагревании воды до 30°С теплоемкость уменьшается, затем в интервале температуры 30…40°С значение этой величины остается практически постоянным (следует отметить, что в этом диапазоне температуры вода обладает наименьшей теплоемкостью). При температуре выше 40°С ее удельная теплоемкость увеличивается и достигает своего максимума при температуре кипения.

Удельная теплоемкость воды при температуре 0,1…100°С
t, °С 0,1 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Cp, Дж/(кг·град) 4217 4191 4187 4183 4179 4174 4174 4174 4177 4181
t, °С 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100
Cp, Дж/(кг·град) 4182 4182 4185 4187 4191 4195 4202 4208 4214 4220

Если продолжить нагрев воды до перехода ее в пар, то тогда, при дальнейшем нагреве пара при атмосферном давлении, величина теплоемкости будет снижаться до некоторого предела, а затем снова начнет увеличиваться. Эта точка перегиба кривой теплоемкости определяется значениями соответствующих температуры и давления.

Как видно по данным в таблице, с повышением давления удельная теплоемкость воды уменьшается, но увеличивается также и температура кипения воды, например, при давлении в 100 бар (атмосфер) она находится в жидком состоянии даже при температуре 300°С. Удельная теплоемкость воды при этом составляет величину 5700 Дж/(кг·град). При продолжении нагрева воды, например до 320°С, она переходит в пар, который имеет большую теплоемкость.

Однако, при низких давлениях, вода начинает кипеть и переходит в пар при температурах гораздо ниже 100°С. Например, по данным таблицы, при давлении 0,1 бар и температуре 50°С, вода уже находится в виде водяного пара и его теплоемкость при этих условиях составляет величину, равную 1929 Дж/(кг·град).

Таблица значений удельной теплоемкости воды и водяного пара
↓ t, °С | P, бар → 0,1 1 10 20 40 60 80 100
0 4218 4217 4212 4207 4196 4186 4176 4165
50 1929 4181 4179 4176 4172 4167 4163 4158
100 1910 2038 4214 4211 4207 4202 4198 4194
120 1913 2007 4243 4240 4235 4230 4226 4221
140 1918 1984 4283 4280 4275 4269 4263 4258
160 1926 1977 4337 4334 4327 4320 4313 4307
180 1933 1974 2613 4403 4395 4386 4378 4370
200 1944 1975 2433 4494 4483 4472 4461 4450
220 1954 1979 2316 2939 4601 4586 4571 4557
240 1964 1985 2242 2674 4763 4741 4720 4700
260 1976 1993 2194 2505 3582 4964 4932 4902
280 1987 2001 2163 2395 3116 4514 5250 5200
300 1999 2010 2141 2321 2834 3679 5310 5700
320 2011 2021 2126 2268 2649 3217 4118 5790
340 2024 2032 2122 2239 2536 2943 3526 4412
350 2030 2038 2125 2235 2504 2861 3350 4043
360 2037 2044 2127 2231 2478 2793 3216 3769
365 2040 2048 2128 2227 2462 2759 3134 3655
370 2043 2050 2128 2222 2446 2725 3072 3546
375 2046 2053 2127 2218 2428 2690 3018 3446
380 2049 2056 2127 2212 2412 2657 2964 3356
385 2052 2059 2126 2207 2396 2627 2913 3274
390 2056 2061 2125 2202 2381 2600 2867 3201
395 2059 2065 2125 2200 2369 2575 2826 3137
400 2062 2068 2126 2197 2358 2553 2789 3078
405 2066 2071 2127 2195 2349 2534 2756 3025
410 2069 2074 2128 2193 2340 2517 2727 2979
415 2072 2077 2129 2192 2334 2501 2700 2936
420 2076 2080 2131 2192 2327 2487 2675 2898
425 2079 2083 2132 2190 2321 2474 2653 2863
430 2082 2086 2134 2190 2316 2462 2632 2830
440 2089 2093 2138 2190 2307 2441 2596 2773
450 2095 2099 2141 2191 2300 2424 2565 2726
460 2102 2106 2146 2192 2294 2409 2538 2684
480 2116 2119 2154 2196 2286 2385 2496 2618
500 2129 2132 2164 2201 2281 2368 2464 2569
520 2142 2146 2175 2208 2280 2357 2441 2531
540 2156 2159 2185 2216 2280 2349 2423 2502
560 2170 2173 2197 2226 2285 2349 2416 2487
580 2184 2187 2208 2233 2285 2342 2401 2465
600 2198 2200 2219 2240 2287 2336 2389 2445
620 2212 2213 2230 2250 2291 2334 2381 2431
640 2226 2227 2243 2260 2298 2337 2379 2423
660 2240 2241 2256 2272 2307 2343 2381 2421
680 2254 2255 2270 2286 2317 2352 2388 2424
700 2268 2270 2283 2299 2330 2362 2398 2429
800 2339 2341 2352 2364 2389 2414 2440 2465

Примечание: В таблице синим цветом показаны значения удельной массовой теплоемкости воды в жидком состоянии, а черным – значения теплоемкости водяного пара.

Источники:

  1. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи.
  2. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *