Коэффициент расширения теплоносителя пропиленгликоля

Под коэффициентом теплового расширения любого тела понимают физическую величину, которая характеризует относительное изменение его объёма или линейных размеров при изменении (увеличении) температуры на 1К (˚С) при постоянном давлении. На практике более заметно расширение либо уменьшение объёма на примере жидкостей при их нагреве либо охлаждении, соответственно, по сравнению с твёрдыми телами. Изменение объёма обозначается показателем в виде коэффициента объёмного расширения: β = 1/V, К -1 (˚С -1 ).

Поскольку пропиленгликоль не может использоваться в чистом виде в качестве теплоносителя (состава низкозамерзающего всесезонного), ввиду его повышенной вязкости и коррозионной активности по отношению к металлам и сплавам, правильнее говорить о применении его водных растворах различной концентрации, в которые вводится пакет антикоррозионных присадок.

Водопропиленгликолевые составы низкозамерзающие всесезонные или жидкости охлаждающие для теплообменных систем относятся к одной из наиболее востребованной группе теплообменных жидкостей (после воды), применяемых в отопительной аппаратуре. Это обусловлено их довольно низкой температурой начала кристаллизации, что позволяет применять их и в зимний период (отопительный сезон).

К тому же они не столь токсичны как растворы этиленгликоля и не наносят вреда окружающей среде, хотя и обладают свойствами присущими гликолям. При низких отрицательных температурах окружающего воздуха они не переходят в твёрдую структуру льда (как это происходит с водой) и сохраняют работоспособность теплообменных систем.

Для чего необходимо знать коэффициент расширения?

Большинство автономных систем теплоснабжения спроектированы для применения воды, либо иногда — составов низкозамерзающих всесезонных, в качестве теплоносителя. Поэтому при расчётах и выборе аппаратов системы теплообмена (расширительной ёмкости) для них, учитываются и физические параметры.

Но если в качестве альтернативы будет использоваться не обычная техническая вода, нужно учитывать, что коэффициент расширения теплоносителя на основе пропиленгликоля (антифриза) будет другим. Его вычисляют для внесения необходимых корректировок, проверки соответствия объёма емкости расширительного бака.

Использование антифриза может привести к «завоздушиванию» отопительной системы. Этот процесс – результат более высокого (если сравнивать с водой) коэффициента температурного расширения теплоносителя на основе пропиленгликоля. В итоге объёма емкости расширительного бака оказывается недостаточно для его заполнения. Поэтому излишки антифриза при нагреве его до рабочей температуры (обычно это около 85 °C) сбрасываются путем слива через предохраняющий клапан.

После снижения тепловой нагрузки требуется подпитка системы теплообмена рабочей средой. Для этого используется вода, в которой содержатся растворённый воздух, который выделяется из жидкой фазы в результате нагрева. Все это провоцирует образование воздушных пробок, вызывающих серьезные аварии в системе отопления и поломки отдельной аппаратуры. На практике этот процесс хорошо демонстрируется во время эксплуатации двигателей внутреннего сгорания автотранспортной техники, когда система их охлаждения не обеспечивает нормальной работы и начинает «закипать».

Зависимость величины коэффициента расширения от температуры

Величина коэффициента объёмного теплового расширения теплоносителей на базе водных растворов пропиленгликоля зависит не только от его концентрации (содержании) в растворе, но и от температурного диапазона системы теплообмена в которой применяется теплоноситель. Существуют материалы и диапазоны температур, даже для воды когда, в узком интервале температур от 0˚С до + 4˚С, величина коэффициента отрицательная. Рассматриваемый коэффициент для теплоносителей на основе пропиленгликоля увеличивается с ростом температуры. Конкретные величины коэффициента объёмного расширения и динамику его увеличения при повышении температур для антифризов можно найти в справочной литературе.

Теплоноситель, в основе которого содержится пропиленгликоль, имеет значительно больший коэффициент расширения при нагреве, по сравнению с водой, поэтому рекомендуется подбирать бак для такой системы отопления большего объема. В отличие от воды, теплоемкость такого теплоносителя меньше на 15%. Это приводит к ухудшению условий теплообмена и требует монтажа дополнительных радиаторов, обладающих максимальной мощностью.

Кроме теплового расширения в результате нагрева, в теплоносителе на базе пропиленгликоля могут происходить необратимые изменения его химического состава в результате перегрева. Поэтому допускать повышение температуры антифриза до максимальных показателей не рекомендуется. Для объектов, где в отопительных системах требуется применение теплоносителей на основе водных растворов пропиленгликоля, гарантирующих экологическую безопасность, можно приобрести такую продукцию у компании «Савиа», которая занимается производством теплоносителей широкой номенклатуры.

Предлагаемые теплоносители сертифицированы, соответствуют международным и российским нормам качества. Составы подходят для обеспечения работы отопительных установок в жилых домах, на предприятиях пищевой промышленности. В случае утечки пропиленгликолевого антифриза исключается вероятность отравления.

Как выбрать и какие бывают теплоносители для систем отопления?

Выбор теплоносителя для отопительного контура – дело не простое и требует некоторых познаний. Сразу стоит оговориться, что выбор теплоносителя нужен только для зданий с автономным отоплением. Если помещение подключено к централизованному отоплению, то заполнять систему будет теплоснабжающая организация.

Теплоноситель может быть 3 видов:

1. Жидкость.
2. Пар.
3. Газ.

Отопление частных домовладений с применением паровых или газовых систем крайне редки. Поэтому более детально рассмотрим, какие виды жидкостей можно использовать в виде теплоносителя.

Это:

1. Вода.
2. Этиленгликоль.
3. Пропиленгликоль.

К основным требованиям, которые предъявляются к теплоносителям можно отнести следующие:

1. Удельная теплоёмкость.
2. Вязкость.
3. Пожаробезопасность.
4. Токсичность вещества.

Применение воды

Способ передачи тепла от источника до радиаторов при помощи воды является самым простым и вместе с тем наименее затратным. На долю воды приходится не менее 70% от общего числа применяемых жидкостей.

При всей кажущейся простоте применения, имеется ряд моментов, которые необходимо учитывать:

1. Жёсткость. В воде присутствуют частицы твёрдых веществ. При нагревании свыше 70 градусов начинается процесс кристаллизации, что, в свою очередь, приводит к появлению накипи на внутренних поверхностях теплообменника котла, трубопроводах, батареях. Для борьбы с этим явлением существуют устройства для умягчения воды, которые также очищают воду от механического загрязнения. Подключаются такие устройства непосредственно к водопроводу. При подключении таким способом отпадает необходимость устанавливать дополнительный насос для заполнения системы. Заполнение происходит за счёт давления в сети водоподачи.
2. Температурный режим. При осуществлении теплоснабжения в отдельно стоящем здании, температура на подаче редко превышает 95 градусов. Большинство бытовых отопительных котлов также рассчитываются на эту температуру, как максимальную. При данной температуре не происходит закипания жидкости. Необходимо помнить, что при температуре 80 градусов начинается процесс деаэрации (выделение частиц воздуха из воды). Для того, чтобы не произошло завоздушивания системы, необходимо предусмотреть установку воздушных клапанов, которые автоматически будут сбрасывать появившийся воздух.
3. Температура замерзания. В случае, если помещение отапливается регулярно, то данной проблемы и не возникнет. В том случае, если отопление помещения осуществляется не на постоянной основе, а от случая к случаю, то необходимо учесть, что при 0 градусов вода заледенеет. Замерзание воды в отопительных приборах может привести к выходу их из строя на продолжительное время или даже к полной непригодности.

Положительные стороны использования воды:

1. Экологически чистое вещество.
2. Имеет высокую теплоёмкость.
3. Не требует дополнительных энергетических затрат для обеспечения циркуляции.
4. При необходимости заполнения системы – всегда в наличии.
5. Низкая стоимость.

Отрицательные стороны:

1. Превращается в лёд при 0 °С.
2. Необходимость установки устройства водоподготовки.

Этиленгликоль

В некоторых условиях существует необходимость использовать теплоноситель с довольно низким порогом замерзания. Такие вещества называются антифризы. Антифриз на основе этиленгликоля составляет примерно 25% всех теплоносителей.

В состав антифриза на основе этиленгликоля вводят специальные добавки – ингибиторы, замедляющие скорость протекания нежелательных химических процессов под воздействием этиленгликоля.

Температура замерзания может достигать -60 °С.

Для использования этиленгликоля надо принимать в расчёт следующие факторы:

1. Вязкость. В чистом виде этиленгликоль не применяют, его смешивают с водой. В зависимости от концентрации, меняется и вязкость вещества. С повышением вязкости уменьшается и скорость движения теплоносителя по трубам. Из-за этого приходиться увеличивать производительность насоса, что ведёт к увеличению расходов на выработку тепла.
2. Тепловое расширение. Коэффициент теплового расширения у данного вещества в среднем на 50% выше, чем у воды. Поэтому при нагреве, для предотвращения роста давления в отопительных приборах, необходимо установить расширительный бак. Этот же бак должен служить и для подпита теплоносителем при снижении температуры.
3. Химические свойства. По своим свойствам, этиленгликоль агрессивен к некоторым видам материалов. К примеру, при его использовании необходимо отказаться от резиновых уплотнителей. Потребуется заменить их на паронитовые. Также, использование оцинкованных труб невозможно. Этиленгликоль растворяет цинк. При принятии решения использовать этиленгликоль в виде теплоносителя, необходимо внимательно изучить паспорта всех установленных тепловых приборов на возможность его применения.
4. Заполнение системы. Заполнение системы водно-гликолевой смесью возможно только с помощью подпиточного насоса. Учитывая повышенную вязкость смеси, необходимо правильно подобрать параметры насоса. Также, необходимо выбрать материал для бака, из которого насос будет заполнять контур отопления раствором. При выборе насоса, обязательно нужно учесть параметры жидкости, которую он будет перекачивать.
5. Токсичность.Из-за высокой токсичности этиленгликоль не нашёл широкого применения. Для человека смертельная доза может составить 50–500 мг. В открытых системах, этиленгликоль применять категорически запрещено. Материалы, на которые попал этиленгликоль, необходимо заменить.

Положительные стороны:

1. Размораживание системы практически невозможно.
2. Хорошая теплоёмкость.
3. Низкая вероятность образования накипи.
4. Довольно привлекательная цена.

Отрицательные стороны – токсичность! Вот что не даёт этиленгликолю постепенно вытеснить воду с лидирующей позиции. Этиленгликоль – смертельно опасен.

Пропиленгликоль

Самым надёжным, безопасным и современным теплоносителем является продукт на основе пропиленгликоля. Применяться в мире начал с 60-х годов прошлого века. В ведущих странах Европы уже 20 лет используют данный антифриз как основной теплоноситель. В нашей стране на долю пропиленгликоля приходиться всего 5%. По своим физическим свойствам он очень близок к этиленгликолю. Замерзание наступает при температуре 60 0 С. Коэффициент теплового расширения всего на 5% превышает аналогичный показатель воды.

При использовании пропиленгликоля, надо принимать в расчёт следующие факторы:

1. Вязкость. Принимая во внимание повышенную вязкость по сравнению с водой,при проектировании системы отопления необходимо подбирать циркуляционный насос повышенной производительности. Это обеспечит нормальную скорость передачи тепла от отопительного котла к радиаторам отопления.
2. Химические свойства. По своим химическим свойствам этот антифриз близок к этиленгликолю. Перед началом его использования, необходимо удостовериться в том, что на выбранном оборудовании, возможно применять данный теплоноситель. В противном случае, можно повредить котёл и систему отопления в целом. Применение резиновых уплотнителей, а также пакли, тоже не представляется возможным.
3. Заполнение системы. Для того,чтобы заполнить контур отопления пропиленгликолем, необходимо применить подпиточный насос. В самой низшей точке системы отопления, необходимо предусмотреть место для присоединения подпиточного насоса. Заполнять систему необходимо медленно. При этом, все воздушные клапаны должны быть открыты. Такой способ заполнения поможет избежать закупорки системы воздухом.

Положительные факторы:

1. Предохраняет систему от порывов при замерзании. При замерзании объем увеличивается всего на 0,1% (теплоноситель на этиленгликоле – примерно 1,5%). Сливать из системы в зимнее время теплоноситель не требуется.
2. При использовании абсолютно не токсичен и безопасен для человека.
3. По своим показателям имеет максимальный, после воды, уровень безопасности. Не опасен даже при вдыхании паров длительное время.
4. Благодаря смазывающим свойствам предотвращает коррозию металлических частей системы отопления, снижает гидродинамическое сопротивление и способствует улучшению работы вторичного контура насоса.
5. Хорошие теплофизические свойства.
6. При использовании не образуется накипи.
7. Обладает бактерицидными и стерилизующими свойствами.
8. Пропиленгликоль не горюч и взрывобезопасен.

Отрицательные факторы – значительно высокая цена, в сравнении с другими видами теплоносителей.

Расчёт количества теплоносителя

Узнать нужное количество теплоносителя можно 2 способами:

Расчётный

Необходимо суммировать количество теплоносителя в котле радиаторах и трубопроводах. Данные о количестве теплоносителя в котле и батареях можно взять из паспортов.

Объем жидкости внутри трубы можно рассчитать по формуле:

• V = S (площадь сечения трубы) x L (длина трубы).

Для упрощения расчётов существует таблица объёмов.

Объем воды в радиаторе:

• алюминиевый радиатор — 1 секция — 0,450 литра;
• биметаллический радиатор — 1 секция — 0,250 литра;
• старая чугунная батарея – 1 секция — 1,700 литра;

Объем воды в 1 погонном метре трубы:

• ø15 (G ½”) — 0,177 литра;
• ø20 (G ¾”) — 0,310 литра;
• ø25 (G 1,0″) — 0,490 литра;
• ø32 (G 1¼”) — 0,800 литра;

Опытный

Для определения объёма опытным путём, необходимо полностью заполнить контур отопления водой. Затем необходимо аккуратно слить воду, замеряя, при этом объем мерной ёмкостью.

При заполнении водой необходимо приоткрыть кран, установленный на участке системы водоподготовки. При этом, воздушные клапаны должны быть открыты. Так можно избежать завоздушивания системы.

Слив воды из контура отопления производится через дренажный кран в систему канализации или подпиточный бак. Заполнение системы пропиленгликолем необходимо производить с помощью подпиточного насоса.

Как и в случае с водой, заполнение необходимо производить с малой скоростью. Учитывая стоимость пропиленгликоля, дренировать системы нужно только в подпиточный бак.

Периодичность замены воды в контуре отопления, как правило, составляет один тепловой сезон. Для антифризов периодичность установленная производителем составляет 5 лет.

Стоимость и критерии выбора

Этиленгликоль – самый доступный из антифризов.

Самым доступным видом теплоносителя является вода.

Стоимость этиленгликоля за 1 килограмм составляет от 50 до 70 рублей. Пропиленгликоль самый дорогой представитель: его стоимость за 1 килограмм колеблется от 80 до 130 рублей, в зависимости от расфасовки и страны производителя.

Как уже видно теплоноситель может существенно повлиять на характеристики отопительной системы.

Вода имеет самую высокую теплоёмкость из вышеописанных представителей, поэтому увеличивать мощность радиаторов отопления не потребуется, показатели её вязкости оптимальны, она прекрасно движется как в системах с естественной циркуляцией, так и с принудительной циркуляцией.

В паспортах циркуляционных насосов в характеристике оборудования, указывается давление и расход из расчёта вязкости воды. Нагрузки на насосное оборудование стандартны, а котлы, как правило, рассчитаны на работу по тепловому графику 95-70, что на 5 градусов ниже температуры кипения воды.

Параметры теплоёмкости антифриза достаточно хорошие, но меньшие по сравнению с водой, поэтому понадобятся дополнительные секции радиаторов или же более частая укладка трубы тёплого пола. Этиленгликоль из-за его повышенной токсичности для жилых помещений лучше не использовать.

Пропиленгликоль хоть и значительно дороже воды, но даёт гарантию стабильной и безопасной эксплуатации системы отопления в холодное время года.

Блиц-советы

1. Выбор теплоносителя необходимо производить еще в процессе проектирования.
2. Этиленгликолевые смеси категорически запрещено применять в двухконтурных котлах.
3. Применение пропиленгликоля оправданно в относительно небольших контурах отопления и только при отсутствии утечек.