- Применение антифризов в системах отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха
- Разновидности антифризов
- Температура замерзания антифриза
- Производители антифризов
- Современные энергоэффективные решения отопления, вентиляции и кондиционирования для коттеджа.
- Какой тип теплового насоса оптимален?
- Можно ли использовать радиаторы в системе с тепловым насосом?
- Какова оптимальная система вентиляции?
- Как лучше сделать вентиляцию гаража?
- Сколько будет стоить такая система и можно ли на ней сэкономить?
Применение антифризов в системах отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха
О. М. Гольтяев, канд. физ.– мат. наук, зам. генерального директора ОАО «ТЕХНОФОРМ», gol@cstream.ru
В статье рассматриваются проблемы, которые возникают при использовании антифриза в качестве теплоносителя в автономных системах отопления и в качестве хладоносителя в системах вентиляции и кондиционирования воздуха.
Суровость российских зим диктует необходимость использовать в автономных системах отопления и в системах кондиционирования воздуха незамерзающие теплоносители – антифризы. Применение антифриза может привести к существенному снижению энергетических затрат и принести заметную экономическую выгоду при эксплуатации инженерного оборудования зданий. Так, системы охлаждения воздуха можно отключать в зимнее время без необходимости слива теплоносителя из вторичного контура чиллера. В загородных домах антифризы дают возможность применять прерывистый режим отопления и производить обогрев помещений только на время их использования.
Разновидности антифризов
Из существующих в природе жидкостей наилучшими физическими свойствами с точки зрения теплопередачи обладает, безусловно, вода. У нее наиболее высокая теплоемкость и теплопроводность, а также относительно низкая вязкость. Однако высокая температура кристаллизации 0 °C и уникальное свойство расширяться при замерзании делают воду непригодной для холодильных установок и систем, имеющих риск замерзания в зимних условиях. В связи с этим во многих случаях приходится использовать незамерзающие (низкозамерзающие) теплоносители – антифризы, которые могут функционировать при отрицательных рабочих температурах, а также практически не расширяются при замерзании.
Антифризами, которые принято использовать в качестве теплоносителей и хладоносителей, являются водные растворы этиленгликоля, пропиленгликоля, других гликолей, а также растворы некоторых неорганических и органических солей. По существу теплоносители и хладоносители выполняют одинаковую функцию, так как переносят тепло от «нагревателя» к «холодильнику», и их терминологическое различие носит условный характер. В дальнейшем будем использовать лишь один термин – теплоноситель.
Области применения низкозамерзающих теплоносителей различны и многообразны: системы отопления; системы кондиционирования воздуха, чиллеры; вторичные контуры холодильных установок, охлаждение ледовых полей; солнечные батареи; тепловые насосы; системы рекуперации тепла; охлаждение двигателей внутреннего сгорания; подогрев нефти и газа и многое другое.
В современной инженерной практике различные виды теплоносителей применяются в зависимости от назначения и диапазона рабочих температур, при которых они используются. Главное различие теплоносителей заключается в их основе (гликоле или соли), которая понижает температуру замерзания и определяет вязкость.
Солевые растворы применяются во вторичных контурах холодильных установок при отрицательных рабочих температурах, преимущественно при температурах ниже –20 °C. Это обусловлено их относительно малой вязкостью по сравнению с аналогичными теплоносителями на основе гликолей (рис. 1). Главным недостатком таких антифризов является высокая коррозионная активность, которая, однако, в значительной мере снижается при низких температурах.
Зависимость вязкости от температуры для различных типов теплоносителей. Концентрация всех низкозамерзающих теплоносителей соответствует одинаковой температуре замерзания –40 °C. Данные компании Arteco [1]
Растворы этиленгликоля и пропиленгликоля применяют при рабочих температурах от –20 °C до +130 °C. Хотя такие теплоносители при определенных концентрациях могут оставаться в жидкой фазе вплоть до температур порядка –70 °C, их применение в этой низкотемпературной области становится невозможным из-за непомерно высокой вязкости. По своим физическим характеристикам, таким как температура замерзания, теплоемкость, теплопроводность, вязкость, объемное расширение, теплоносители на основе этиленгликоля и пропиленгликоля достаточно близки [1]. При этом этиленгликоль во многих случаях оказывается предпочтительнее пропиленгликоля как с технической, так и с финансовой точки зрения. Объемы производства этиленгликоля в мире на порядок больше, чем пропиленгликоля, соответственно, его цена вдвое ниже. Однако у пропиленгликоля имеется одно неоспоримое преимущество – низкая токсичность. Поэтому его применяют на объектах, требующих повышенного уровня безопасности, например на пищевых производствах.
При высоких рабочих температурах, вплоть до +180 °C, применяются растворы триэтиленгликоля [3], благодаря его относительно высокой термостабильности. Такие продукты не являются предметом массового производства, их выпускают под заказ и они являются, образно говоря, экзотикой в ряду теплоносителей.
Поскольку формат данной статьи не позволяет осуществить полный обзор всех перечисленных выше теплоносителей, ограничим свое рассмотрение лишь теплоносителями на основе этиленгликоля в применении к системам отопления, вентиляции, кондиционирования. Именно этиленгликолевые теплоносители получили на сегодняшний день наиболее широкое распространение в инженерных системах зданий и сооружений.
Зависимость температуры кристаллизации от концентрации этиленгликоля (антифриз Glythermin NF) в водном растворе. Данные компании BASF [3]
Антифриз предназначен исключительно для технического использования, поэтому нельзя допускать его попадания в пищевые продукты и в питьевую воду во избежание отравления. Опасной для жизни человека дозой при попадании в желудок считается 100 мл этиленгликоля. При случайном попадании антифриза на руки или на одежду он легко смывается водой, не оставляя раздражения или ожогов. Срок биологического разложения этиленгликоля в почве составляет порядка 1 мес. [1]. Этиленгликоль, растворенный в воде в концентрациях менее 1 г/л, не причиняет вреда рыбам и водным живым организмам [3].
Следует отметить, что антифриз имеет меньший, чем у воды, коэффициент поверхностного натяжения, поэтому легче проникает в мелкие поры, трещины. Кроме того, набухание резины в антифризе меньше, чем в воде. Поэтому в системах, длительное время работавших на воде, замена воды на антифриз может привести к появлению протечек, связанных с тем, что резиновые прокладки принимают первоначальный объем. Рекомендуется первые дни после заливки антифриза следить за состоянием соединительных узлов системы и при необходимости подтягивать их или менять уплотнения. Лучшей защитой от протечек являются хорошие прокладки и качественная сборка системы.
В системах отопления нельзя использовать элементы, содержащие цинк, в частности, оцинкованные изнутри трубы. При температурах, превышающих +70 °C, цинковое покрытие будет отслаиваться и оседать на нагревательных элементах котла, а антикоррозионные свойства теплоносителя значительно ослабятся.
Срок службы антифриза зависит от режима его эксплуатации. Не рекомендуется доводить теплоноситель до состояния кипения (температура кипения при атмосферном давлении составляет +106…+116 °C в зависимости от степени разбавления водой). При локальном перегреве теплоносителя до температур, превышающих +170 °C, будет происходить термическое разложение этиленгликоля, образование нагара на нагревательных элементах, выделение газообразных продуктов разложения и разрушение антикоррозионных присадок. Поэтому в нагревательных котлах должна быть обеспечена надлежащая циркуляция теплоносителя, и нагревательные элементы в процессе работы должны быть полностью погружены в теплоноситель, чтобы не допускать их перегрева и «пригорания» антифриза. По существу, в теплообменных системах следует проводить предварительные тепловые расчеты на предмет установления возможности для данного теплоносителя обеспечивать необходимые тепловые потоки. При этом можно использовать табличные данные для параметров, входящих в уравнения подобия, таких как число Прандтля, число Рейнольдса [3, 4].
Еще одним важным аспектом применения антифризов является герметичность теплообменной системы. Известно, что этиленгликоль окисляется при контакте с атмосферным воздухом и процесс окисления ускоряется при повышении температуры – примерно вдвое на каждые 10 °C. Продукты окисления этиленгликоля – гликолаты – разрушают антикоррозионные присадки и приводят к усилению коррозии (рис. 3). Поэтому необходимо по возможности исключить контакт теплоносителя с воздухом, в частности, применять герметичные расширительные емкости.
Температура замерзания антифриза
В практике применения антифризов часто возникает вопрос о выборе температуры замерзания теплоносителя, который сводится к выбору концентрации антифриза в растворе (рис. 4). Повышенная концентрация, кроме удорожания, создает повышенную вязкость теплоносителя и снижает эффективность теплопередачи. Кроме того, не всякий насос способен перекачивать жидкость с вязкостью, в 2–3 раза превышающей вязкость воды. Выбор оптимальной концентрации теплоносителя важен как с технической, так и с финансовой точки зрения. Часто также возникает вопрос, что будет с теплообменной системой, если теплоноситель в ней замерзнет в результате штатной или нештатной ситуации.
В отличие от воды, водно-этиленгликолевый раствор и, соответственно, теплоноситель замерзает в несколько этапов. Вода замерзает «мгновенно» (разумеется, не по времени, а по температуре), то есть при 0 °C это еще жидкость, а при –1 °C – уже лед. Теплоноситель замерзает постепенно: в процессе охлаждения при некоторой отрицательной температуре в жидкости начинают образовываться кристаллы. Затем, при дальнейшем охлаждении жидкости, кристаллов в ней становится все больше и больше (это состояние называется «шуга», по-английски slush ice – что-то наподобие манной каши), и наконец, при некоторой более низкой конечной температуре эта шуга затвердевает.
Начальная температура образования кристаллов называется «температурой кристаллизации», по-английски freezing point (измеряется по ASTM D 1177). Конечная температура перехода из жидкого в твердое состояние называется «температурой потери текучести» или «температурой застывания», по-английски setting point (по DIN 51583) или pour point (по ASTM D 97).
Для антифризов с температурой кристаллизации –30 °C, которыми мы обычно пользуемся, разница между freezing point и setting point составляет около 8 °C. То есть антифриз, который начинает кристаллизоваться при –30 °C, затвердеет лишь при –38 °C (см. рис. 4). В промежутке между –30 и –38 °C он будет находиться в состоянии «манной каши» – более или менее густой.
В России при описании и тестировании антифризов обычно пользуются терминами «температура начала кристаллизации» (по ГОСТ 28084–89) или «температура кристаллизации» (по ГОСТ 18995.5, совпадает с ASTM D 1177). В Европе, однако, чаще используют понятие «температура защиты от замерзания», по-английски frost protection. Она определяется как среднее арифметическое между «температурой кристаллизации» и «температурой застывания». На наш взгляд, именно frost protection наиболее адекватно характеризует температуру замерзания антифриза, т.к. это середина фазового перехода из жидкости в твердое тело.
Здесь необходимо отметить еще один принципиальный момент. В отличие от воды, которая при замерзании расширяется в объеме на 9% и рвет трубы, антифриз при замерзании не размораживает теплообменную систему. Водно-этиленгликолевый раствор при переходе из жидкости в твердую фазу расширяется весьма незначительно. Как видно из графика на рис. 5, теплоноситель (HTF) с концентрацией этиленгликоля 40% при замерзании (температура замерзания около –30 °C) расширяется в объеме лишь на 1,5%. Соответственно, его линейное расширение составит всего 0,5%, а это безопасно практически для любых конструкционных материалов.
 |
