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 C_p, 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 C_p, 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 T_кип = 105 º С;
• При Р = 1,1 ат T_кип = 109 º С;
• При Р = 1,3 ат T_кип = 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 ΣQ_i – требуемый тепловой поток , Вт; с – удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/кг•˚С, ∆t =»» t_1т – t_2т – 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 – V_a/V_в, где V_а и V_в – 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 V_1b – начальный объем теплоносителя в баке при холодной системе отопления, м 3 ; ∆V_r – 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 ∆V_r 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 =»» t_ср – t _{=»» 80 – 20, ˚С).}

При переходе с воды на антифриз важно соотношение V_2b/V_1b, где V_2b и V_1b –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 × ΣQ_i/c × ∆t), кг/ч,

где ΣQ_i – требуемый тепловой поток , Вт; с – удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/кг•˚С, ∆t = t_1т – t_2т – 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 – V_a/V_в, где V_а и V_в – 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:

V_b = (V_1b + ∆V_r) × (P₂ + 1)/( P₂ + P₁), м³,

где V_1b – начальный объем теплоносителя в баке при холодной системе отопления, м³; ∆V_r – 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 ∆V_r 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 = t_ср – t₀ = 80 – 20, ˚С).

При переходе с воды на антифриз важно соотношение V_2b/V_1b, где V_2b и V_1b  –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/с 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 a_н не превышает 20 Вт/м²•°C, а внутренний коэффициент теплоотдачи со стороны теплоносителя a_вн ~ 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 (q^F, 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 F_TP = 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 (R_e > 10 000) жидкости в гладких трубах:

N_u = 0,021 Re^0,8 Pr^0,43(Pr/Pr_СТ)^0,25,

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

Nu = a d_э /l – число Нуссельта;

Re = w d_э /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:

a_T /a_B = (l_T / l_B)^0,57 • (n_B /n_T)^0,37• (r_T /r_B)^0,43 • (c_T /c_B)^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/с 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 (a_T) и воды (a_в) при принятых значениях составляет:

a_T /a_B = (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:

a_T = a_B , или a_T /a_B = 1 при w_T~2,4w_B.

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