Теплоносители (хладоносители) на основе гликолей

Общие сведения

Теплоносители (хладоносители) являются промежуточным телом, с помощью которого осуществляется перенос тепла от воздуха охлаждаемого помещения к холодильному агенту. Хладоносителем может служить вода, водные растворы солей или жидкости с низкой температурой замерзания — антифризы и т. д. Их применяют там, где непосредственное охлаждение нежелательно или не представляется возможным.

При температурах теплоносителя ниже точки замерзания воды, а также в целях предотвращения замерзания теплоносителя в трубопроводах при низких температурах окружающей среды, в качестве теплоносителей используют различные растворы и смеси с низкой температурой замерзания.

Распространенными хладоносителями являются хлористый натрий (NaCl), соли хлористого кальция (CaCl₂), водные растворы гликолей. В связи с высокой коррозионной активностью солевых растворов, расходы на ремонт оборудования могут многократно превысить прямые затраты, поэтому в последнее время все более широкое применение находят растворы многоатомных спиртов, в том числе пропиленгликоля (ПГ), этиленгликоля, глицерина, что особенно характерно для систем центрального кондиционирования.

Гликоли — бесцветные сладковатые и высоко вязкие жидкости с точкой замерзания ниже -50С. Различают два главных типа гликолей:

• пропиленгликоль — С₃Н₆ (ОH)₂, благодаря нетоксичности находит также применение в пищевой промышленности (в качестве пищевых добавок).
• этиленгликоль, C₂H₄(ОН)₂, в основном, используется там, где его утечка не будет опасной для людей, животных и продовольственных товаров. Он значительно дешевле пропиленгликоля и потери на трение — намного ниже при низких температурах, чем для пропиленгликоля.

При проектировании систем с гликолевыми теплоносителями следует учитывать их физико — химические особенности.

Особенности применения растворов гликолей

Водные растворы этиленгликоля и пропиленгликоля имеют отличные от воды теплофизические свойства — теплоемкость, плотность, теплопроводность, химическая активность и т.п., которые должны быть учтены при подборе оборудования, гидравлическом расчете систем холодоснабжения.

Как пропилен гликоль, так и этилен гликоль имеют молекулярный размер меньший, чем у чистой воды. Это свойство может привести к образованию утечек в уплотнениях (особенно при низких температурах теплоносителя и высоких концентрациях гликоля) и требует более внимательного подхода к выбору насосного оборудования и его размещению. В ряде случаев стандартные насосы рассчитаны на максимальное содержание гликоля 30-40%, более высокие концентрации требуют замены стандартных уплотнений на специальные. По возможности насосы следует размещать в частях системы с более высокой температурой теплоносителя.

Не рекомендуется применять трубы из оцинкованной стали в системах с гликолевыми теплоносителями.

Расчет концентрации раствора

Для низкотемпературных систем, при температуре теплоносителя ниже +5С, в целях предотвращения замерзания теплоносителя в испарителе холодильной машины требуется применять раствор гликолей. Рекомендуемые массовые (!) концентрации растворов этиленгликоля и пропиленгликоля для различных температур теплоносителя показаны на Рис. 1, 2. При более низких температурах (например, применении растворов гликолей для защиты от замерзания в зимний период) для расчета концентрации следует использовать диаграмму состояния раствора гликоля

Подбор оборудования, пересчет основных характеристик

При подборе оборудования необходимо учесть, что основные характеристики холодильного оборудования при использовании растворов гликолей высокой концентрации будут существенно отличаться от рассчитанных при нормальной температуре и воде в качестве теплоносителя. Как правило, точные характеристики холодильной машины с учетом концентрации гликоля и при различных температурах теплоносителя можно пересчитать с помощью программ подбора или таблиц, предоставляемых производителями чиллеров. В качестве примера на Рис. 3 и 4 показано, как изменяются основные показатели холодильной машины (холодопроизводительность, потребляемая мощность компрессора, расчетный расход теплоносителя) в зависимости от концентрации раствора этиленгликоля и пропиленгликоля при температуре теплоносителя +5/+10 °С.

Рис.4

Пересчет гидравлического сопротивления

Так как этиленгликоль и пропиленгликоль обладают высокой вязкостью, как следствие значительно возрастают гидравлические потери на трение в трубопроводах и на преодоление гидравлических сопротивлений. На Рис.5 и 6 приведены поправочные коэффициенты падения давления в зависимости от температуры и концентрации раствора.

Рис.5

Рис.6

Зависимость характеристик насосного оборудования от физических свойств теплоносителя

В качестве примера, рассмотрим подбор насоса при исползовании в системе в качестве теплоносителя раствора этиленгликоля.

Исходные данные:

• требуемый расход теплоносителя в системе = 50 м 3 /час,
• требуемый напор на сеть = 18,5 м,
• температура жидкости = -15 °С,
• концентрация этиленгликоля = 40% масс.

По диаграмме состояния раствора этиленгликоля по температуре и концентрации определяем динамическую вязкость и плотность раствора:

• динамическая вязкость = 12 мПа х с,
• плотность = 1070 кг/м 3 .

Находим кинематическую вязкость раствора:

• кинематическая вязкость = динамическая вязкость/плотность = 11,2 мм 2 /с

Исходя из расчетных расхода и напора насоса и рассчитанной кинематической вязкости по номограмме пересчета характеристик центробежных насосов определяем требуемый напор насоса по стандартным характеристикам, коэффициент напора равен 1,02., т.е. для обеспечения расхода 50 м 3 /час и перепада давлений теплоносителя 18,5м необходимо выбрать насос с напором по стандартной характеристике = 18,87 м. Этому условию соответствует насос LME 80-125/133 фирмы Grundfos. По номограмме пересчета характеристик центробежных насосов уточняем поправочный коэффициент потребляемой мощности насоса, он равен 1,1, т.е. фактическая мощность = попр.коэфф. х плотность х мощность по стандартной характеристике = 1,1 х 1,07 х 3,6 = 4,24 кВт.

Особенности обогрева нефтепроводов

Нефтепроводы — разновидность промышленных трубопроводов, поэтому их обогрев осуществляется в соответствии с теми же правилами, но с учетом ряда особенностей.

Почему обогрев нефтепроводов целесообразен в России?

Большинство нефтяных месторождений в нашей стране располагается в зоне с суровой и длинной зимой и холодным коротким летом. В таких климатических условиях высокая вязкость как сырой нефти, так и нефтепродуктов затрудняет их перекачивание. Требуются мощное насосное оборудование, ускоряется процесс износа всей системы в целом. Для строительства нефтепровода требуются более дорогие материалы. Все это существенно увеличивает стоимость продукта.

Установка систем обогрева позволяет получить необходимый показатель вязкости нефтепродуктов в условиях низких температур. В результате процесс перекачивания удешевляется, поскольку:

• можно отказаться от дорогих материалов и оборудования при строительстве нефтепровода;
• увеличивается срок службы труб.

Обогрев нагревательным кабелем

Наиболее современным и технологичным способом обогрева труб нефтепроводов можно назвать использование для этой цели нагревательных кабелей саморегулирующегося типа. Это связано с конструктивными особенностями трубопроводов, по которым транспортируют нефтепродукты. Для них характерны большая разветвленность и сложная структура, поскольку они состоят из большого количества участков разных по длине и конфигурации.

Саморегулирующийся кабель можно нарезать по размерам каждого участка и подключать через силовые соединительные коробки, монтируемые непосредственно на трубопроводе.

На протяженных магистральных нефтепроводах до 30 км длиной применяют резистивный нагревательный кабель и обогревательные системы, использующие скин-эффект.

Взрывобезопасность системы

Нефтепродукты — пожаро- и взрывоопасные вещества. Поэтому для обогрева труб, по которым они транспортируются, следует использовать промышленный нагревательный кабель сертифицированный и разрешенный для применения во взрывоопасных средах. Все комплектующие системы обогрева так же должны иметь исполнение соответствующего уровня взрывозащищенности.

Заданный температурный диапазон

При транспортировке нефти и нефтепродуктов по трубопроводу необходимо поддерживать их температуру в заданном диапазоне, не допуская превышения нормы их вязкости, а также перегрева, который может привести к изменению или потере свойств продукта.

Именно по этой причине для обогрева нефтепроводов наиболее подходящим выбором будет взрывозащищенный саморегулирующийся нагревательный кабель , изменяющий количество выделяемого тепла локально в зависимости от температуры каждого конкретного участка, что исключает перегрев трубы. При грамотном сочетании греющего кабеля с терморегулирующими устройствами система обогрева такого типа наиболее выгодна технически и экономически. В основе работы такого кабеля лежит его способность изменять сопротивление и, как следствие, количество выделяемого тепла при изменении температуры окружающей среды — при ее повышении количество выделяемого тепла уменьшается и наоборот. Даже при монтаже внахлёст такой кабель не перегревается.

Поэтому отсутствует необходимость контроля температуры каждого отдельного участка трубопровода, это происходит автоматически. Достаточно обеспечить подключение/отключение обогревательной системы в зависимости от температуры окружающего воздуха.

Температурные характеристики кабеля

Выбирая нагревательный кабель для нефтепровода, необходимо учитывать не только его мощность и взрывозащищенность, но и все температурные характеристики.

В частности, для трубопроводов, подвергаемых пропарке, выбирают:

• среднетемпературные с термостойкостью до 200ºC (пропарка);
• высокотемпературные с термостойкостью выше 200ºC.

Такие кабели сохраняют свои характеристики при воздействии пара. Другая температурная характеристика греющего кабеля — максимальная рабочая температура не должна быть выше температуры самовоспламенения обогреваемого продукта.

При быстром разогреве трубопровода с нефтепродуктами или для поддержания высокой температуры используются гибкие нагревательные ленты или нагревательные кабели с минеральной изоляцией.

Таким образом, при оборудовании нефтепровода системой обогрева необходимо учесть:

• свойства транспортируемого продукта (взрывоопасность и пожароопасность);
• характеристики окружающей среды;
• топологию нефтепровода (протяженность, разветвленность, количество участков и их размеры);
• характеристики трубы (размеры, материал и др.);
• характеристики кабеля.

Теплоноситель пропиленгликоль – самый безопасный антифриз для отопительных систем

Для нормального функционирования отопительной системы в сильные морозы рекомендуется использовать специальный теплоноситель. На современном рынке можно встретить различные вещества, препятствующие замерзанию системы обогрева. Но более безопасным и эффективным считается теплоноситель на основе пропиленгликоля. Данное средство имеет немало положительных характеристик и свои особенности использования.

Что представляет собой пропиленгликоль

Данное вещество имеет прямое отношение к классу двухатомных спиртов. Реактив представляет собой жидкую субстанцию с едва выраженным запахом и вкусом. В промышленности его получают в процессе гидратации окиси пропилена при давлении 16 мегапаскаль и температурном режиме в пределах 160-200 градусов.

Химическая формула пропиленгликоля – С3Н6(ОН)2. Он совершенно безопасен в применении, так не содержит токсичных элементов. Для отопительных систем используют водные растворы, в основу которых входит этот реактив.

Пропиленгликоль имеет родственный состав с этиленгликолем – С2Н4(ОН)2. Но последний элемент не используется для обогрева жилых домов, так как обладает достаточно высоким уровнем токсичности. При этом химическая формула обоих веществ имеет некую схожесть.

Основные характеристики

Пропиленгликоль – это гигроскопичное вещество, которое способно растворяться в воде, ацетоне, этаноле, хлороформе и спирте диэтиловом. Такая бесцветная жидкость, содержащая углеродный атом, обладает низкой степенью летучести. Она не способна вызывать коррозию и совершенно безопасна в применении.

Среди характеристик пропиленгликоля можно выделить:

• плотность – 1037 кг/м³, что почти на 4 процента больше, чем у воды;
• достаточно высокий показатель температуры кипения – 188 градусов выше нуля;
• теплопроводность – 0,218 Вт/(м*К);
• начало кристаллизации – при -60 градусах;
• значение удельной емкости – 2483 Дж/(кг*К).

Как выглядит пропиленгликоль

Теплоноситель пропиленгликоль – это водный раствор, который остается в жидком виде при температурном значении от -40 до 100 градусов. Готовая субстанция кроме основного компонента, растворенного в дистиллированной воде, включает красители, а также не более 5 процентов присадок антикоррозийного, стабилизирующего, смягчающего типа.

Плотность теплоносителя из пропиленгликоля зависит от концентрации основного компонента. Чем больше его процентное количества, тем выше максимальный уровень его кипения. Также соответственно увеличивается показатель плотности. Исходя из этого, на выпускаемых теплоносителях указывается процентная маркировка.

Преимущества и недостатки

Пропиленгликоль один из самых востребованных готовых теплоносителей для отопительных систем. Основной его функцией является защита оборудования обогрева от разрывов, что происходит благодаря способности практически не изменять свой объем при низких температурах. Поэтому в сильные морозы при его использовании нет необходимости слива системы.

К преимущественным сторонам применения теплоносителя на основе пропиленгликоля относят:

1. Безопасность и экологичность. Вещество не содержит компонентов повышенной токсичности. Реактив не оказывает негативного воздействия при попадании на кожный покров или слизистую глаз. Его пары достаточно безвредны. При попадании на поверхность отделочного материала пола исключаются, какие либо химические реакции.
2. Отсутствие коррозийной активности. Такое свойство позволяет применять данный теплоноситель для отопительных систем с различными конструктивными материалами.
3. Высокий уровень теплофизических характеристик. Применение водного раствора пропиленгликоля для отопительных контуров способствует быстрому и равномерному нагреву помещения. При этом тепло удерживается достаточно долго.
4. Отсутствие накипи. При нагревании до высоких температур данный антифриз не образует никаких твердых отложений. В то же время пропиленгликоль имеет бактерицидные и чистящие свойства. С его помощью удаляются различные налеты на внутренних участках отопительного оборудования.

Готовый раствор пропиленгликоля совершенно пожаробезопасный и его применение исключает возможность взрыва.

Данный теплоноситель также имеет некоторые отрицательные эксплуатационные моменты:

1. Высокий показатель текучести. Пропиленгликоль способен проникать через самые незначительные щели. Его текучесть несколько выше от воды, поэтому иногда возникают протечки в местах, где их не должно быть. Но это свойство в тоже время можно отнести к положительным сторонам, так как позволяет улучшить качества сборки теплопроводной конструкции.
2. Исключается возможность использование теплоносителя пропиленгликоль при наличии деталей, вмещающих цинк. Если не следовать такому предостережению, то вязкий антифриз со временем станет отслаивать оцинковку, что приведет к закупорке трубопровода.

Также иногда к отрицательным сторонам относят высокую стоимость антифриза на основе пропиленгликоля. При этом требуется его замена в системе отопления не реже чем через пять сезонов.

Сфера применения

Пропиленгликоль достаточно востребован в современной промышленности. Изготовленные на его основе теплоносители широко используются не только для отопительных систем, а также в качестве антифриза для вентиляционного и кондиционирующего оборудования.

Область применения в промышленности пропиленгликоля достаточно обширна:

• фармацевтика;
• табачное производство;
• изготовление пищевой продукции;
• автомобильная и авиационная отрасль;
• нефтегазовая промышленность;
• косметология, парфюмерия;
• медицина.

Использование пропиленгликоля включает животноводство и сельское хозяйство. Его практикуют для повышения качества корма, а также для продления срока хранения овощных культур. В химическом производстве вязкое вещество применяют в процессе изготовления полиуретанов, растворителей для красок, пластмасс или полимеров.

Критерии выбора

Основным моментом, который следует учитывать при выборе теплоносителя для систем обогрева помещений, является рекомендация производителя к отопительному оборудованию. В инструкции к котлу часто указывается требования к жидкости, которой заполняют водяной контур, а иногда и марка антифриза.

Основными факторами, которые следует учитывать при выборе раствора пропиленгликоля для систем обогрева, являются:

1. Климатические условия использования. На различных марках изделия обозначается самый максимальный уровень температуры замерзания. Этот показатель зависит от концентрации раствора, процентное соотношение которой также указывается в названии теплоносителя.
2. Производитель. От качества антифриза зависит эффективность работы отопительной системы. Приобрести хорошую продукцию можно у проверенных производителей. Качественная продукция не вмещает токсичных веществ и совершенно безопасна для применения.
3. Характеристика присадок. Средства на основе пропиленгликоля, входящие в состав готовых теплоносителей, могут обладать антикоррозийными характеристиками, обеспечивая при этом защиту от разрушения металлов. Часто в состав добавляют умягчающие компоненты, которые ограждают резиновые элементы от деформации. Поэтому при выборе антифриза учитываются технические и конструкционные особенности отопительного оборудования.

При выборе теплоносителя на основе пропиленгликоля учитывайте характеристику присадок

Особой популярностью пользуется антифриз с присадками карбоксилатного типа. Такой теплоноситель можно использовать практически для любых материалов, входящих в конструкцию теплового устройства.

Пропиленгликоль предназначенный для отопительных систем должен отвечать всем техническим требованиям и соответствовать характеристикам применяемого оборудования обогрева.

Особенности использования для отопления

Теплоноситель пропиленгликоль заливается в систему, в соответствии техническими показателями. Перед применением антифриза следует провести ряд подготовительных действий:

• слить жидкость с системы, промыть все контуры с помощью каустической соды, убрать все отложения и ржавчину;
• выполнить уплотнение всех соединений, включая врезки и сгоны;
• удалить и заменить все содержащие цинк детали.

После этого можно заполнять систему раствором пропиленгликоля. При этом спусковой кран в самой нижней точке рекомендуется держать открытым. Такое действие позволит сразу увидеть, когда тепловые контуры полностью заполнятся. После наполнения система проверяется на отсутствие протечек и осуществляется пробный запуск отопительного оборудования.

Эксплуатационные моменты

Готовый раствор пропиленгликоля для устройств обогрева обладает более низкой теплопроводностью и теплоемкостью чем вода. Поэтому при использовании вещества часто возникает необходимость добавления количества батарей в помещении. Также может требоваться замена отопительного оборудования.

Чтобы продуктивно использовать антифриз на основе полипропилена для отопительной системы следует учитывать некоторые эксплуатационные рекомендации:

• в связи с высокой вязкостью данного теплоносителя нужно устанавливать трубопровод с диаметром не менее 25 миллиметров, а также подбирать достаточно мощный циркулирующий насос;
• для металлических труб следует применять антифриз с присадками, препятствующими образованию коррозии;
• ежегодно использовать аэрометр для проверки концентрации основного реактива;
• использовать расширительный бачок не менее чем на 10 литров;
• обеспечить свободный доступ ко всем соединениям отопительного оборудования на случай устранения протечек;
• делать замену теплоносителя пропиленгликоль через каждые пять эксплуатационных сезонов;
• использовать и регулярно контролировать грязеуловители для систем отопления.
• при замене антифриза осуществлять полную промывку теплового оборудования.

Замену теплоносителя на основе пропиленгликоля нужно делать через каждые 5 сезонов

При необходимости смешивания данного теплоносителя нужно учитывать, что раствор хорошо совмещается с жидкостью на основе глицерина, пропиленгликоля или этиленгликоля. При этом берется во внимания вид входящей в состав присадки, так как некорректное соединение разных добавок может стать причиной снижения технических характеристик антифриза.

Благодаря многочисленным достоинствам пропиленгликоль считается одним из лучших теплоносителей для отопительного оборудования. Но чтобы обеспечить эффективный рабочий процесс системы обогрева на несколько лет подряд следует при его использовании соблюдать все технические и эксплуатационные требования.