Теплоносители

Теплоносители

Введение

Для передачи тепловой энергии от ее источника к потребителю используются различные вещества - теплоносители.

Теплоносители - это движущаяся среда, применяемая для передачи теплоты от более нагретого тела к менее нагретому. Теплоносители служат для охлаждения, сушки, термической обработки и других процессов в системах теплоснабжения, отопления, вентиляции, в технологических тепловых и др. устройствах.

Главной задачей энергетики является выбор правильного теплоносителя. На промышленном предприятии для каждого потребителя теплоты и в целом выбор теплоносителя производится в соответствии с требованиями санитарных норм и правил, действующих в данном производстве и для данного теплоносителя.

Наиболее распространённые теплоносители: топочные (дымовые) газы, вода, водяной пар, жидкие металлы <#"658890.files/image001.gif">

Рис. 3.1 - Состояние влажного воздуха по диаграмме: К - критическая точка: а) - ненасыщенный (перегретый) влажный воздух; т. 1 - состояние паров воды при температуре tB давлении паров pП < pS; pS - давление насыщения при температуре tB

б) насыщенный влажный воздух; т. 2 - состояние паров воды при температуре tB и давлении паров pП = pS; в) - пересыщенный влажный воздух; т. 3 - состояние паров воды при температуре tS и давлении паров pП > pS; т. 3/ - состояние насыщения при температуре tB; pS - давление насыщения при температуре tB; tS - температура насыщения при давлении pП.

Ненасыщенный влажный воздух. Парциальное давление паров воды рП меньше давления насыщения рS при данной температуре, рП< рS. Температура паров воды (влажного воздуха) больше температуры насыщения (кипения) при данном давлении, tB>tS. Пары воды находятся в перегретом состоянии относительно температуры насыщения.

Насыщенный влажный воздух. Парциальное давление паров воды равно давлению насыщения при температуре воздуха, рП = рS. Температура влажного воздуха равна температуре насыщения воды при данном давлении, tB = tS.

Пересыщенный влажный воздух. Парциальное давление паров воды рП больше давления насыщения рS при данной температуре рП> рS. Температура влажного воздуха меньше температуры насыщения воды при давлении рП, tB < tS. В данном случае происходит конденсация части паров или пары (при отсутствии центров конденсации) остаются в термодинамически неустойчивом (пересыщенном) состоянии.

Дымовые и топочные газы применяются как теплоноситель в огнетехнических высокотемпературных процессах (печи, топки котлов и т.д.) для непосредственного обогрева различных материалов и изделий при температурах 600 - 2000 0С. Их основное достоинство - высокая температура при отсутствии избыточного давления в тепло производящем и теплоиспользующем агрегатах. Недостаток - низкий коэффициент теплоотдачи от газа к обогреваемому материалу, малое количество теплоты, переносимое единицей объема газа, невозможность транспортировки даже на небольшое расстояние (вследствие отсутствия давления в топочном устройстве), сложность регулирования рабочего процесса, пожароопастность, износ поверхностей золой, большие тепло потери при транспортировке даже на небольшие расстояния. Поэтому высокотемпературные процессы осуществляются непосредственно в самих агрегатах и проблема теплоснабжения в этих условиях, сводится по существу к проблеме сжигания топлива.

Кроме перечисленных теплоносителей в промышленности для осуществления высокотемпературного воздействия на обезвреживаемый или обезвоживаемый осадок сточных вод теплоносителем, находящимся при атмосферном давлении применяют высококипящие органические теплоносители. К таким относятся: минеральные масла, органические и кремнийорганические соединения, расплавленные металлы и соли.

Характеристика некоторых высокотемпературных теплоносителей:

Таблица 3.1

теплоноситель воздух состояние

Если высокотемпературные теплоносители использовать при температурах ниже точки кипения, то в заполненном ими объеме теплообменного аппарата так же, как и при использовании дымовых газов, избыточное давление может отсутствовать. Для работы с высококипящими теплоносителями пригодны тонкостенные мало металлоемкие теплообменники.

Основными требованиями, предъявляемыми к высокотемпературным теплоносителям, являются:

высокая температура кипения при атмосферном давлении;

интенсивный теплообмен;

низкая температура отвердевания;

малая активность коррозирующего действия на металлы;

нетоксичность, невоспламеняемость, взрывобезопастность;

термическая стойкость и дешевизна.

Наряду с высокотемпературными теплоносителями используются низкотемпературные теплоносители и холодильные агенты, которые кипят при температурах ниже 00С.

Для осуществления процесса трансформации теплоты применяются различного рода рабочие тела, термодинамические и физические свойства которых должны удовлетворять определенным требованиям, зависящим отряда условий: назначения установки, ее схемы, нижнего и верхнего температурного уровней, необходимого ресурса установки и безопасности ее обслуживания.

Рабочие тела могут представлять как чистые вещества, так и смесь веществ. В процессе работы трансформаторов теплоты некоторые рабочие вещества подвергаются фазовым превращениям. В качестве рабочих тел в термомеханических трансформатор теплоты применяются:

хладагенты - вещества и их смеси, имеющие при давлении 0,1 МПа температуру кипения Тs (при нормальном давлении) 350¸120 К. При Тs = 350¸250 К хладагенты используются в большинстве теплонаносных установок, а при Тs = 273¸120 К - в установках кондиционирования воздуха и холодильных установках;

криогенты - вещества и их смеси с температурой кипения при атмосферном давлении Тs<120 К;

абсорбционные пары веществ - рабочие агенты и абсорбенты абсорбционных установок (например, H2O - LiBr; NH3 - H2O);

вода - использование воды в качестве хладагента ограничено сравнительно невысокой температурой ее тройной точки tтт = 0 0С. При этой температуре давление водяного пара очень низкое (ртт = 0,63 кПа), а удельный объем велик(Vтт = 206 м3/кг). Поэтому вода применяется, главным образом, в установках кондиционирования воздуха, где обычно температура теплоотдатчика tн ³ 5 0С.

Требования к хлада- и криоагентам весьма разнообразны и определяются конкретными условиями их использования в различных трансформаторах теплоты.

Давление насыщенных паров холодильного агента, соответствующее требуемым низким температурам, должно быть выше атмосферного или близким к нему, так как вероятность утечек хладагента больше при его избыточном давлении, чем подсос воздуха при вакууме. Подсос воздуха нежелателен потому, что он ухудшает теплопередачу между хладагентом и охлаждающей средой в конденсаторе и охлаждаемой средой в испарителе. Кроме того, влажный воздух содержит водяные пары, которые могут замерзать в трубках испарителя или растворяться в смазывающих компрессор маслах и повышать температуру замерзания масла, а также образовывать с рабочим веществом соединения способствующие коррозии металлических деталей компрессора. Кроме того, присосы воздуха и других неконденсирующихся паров повышают рабочее давление и вызывают перерасход электроэнергии.

Нежелательно высокое давление пара при температуре конденсации, так как при этом удорожается машина, усложняется конструкция сальников, утяжеляются трубопроводы и другие части системы, потому что требуется большая плотность соединений во избежание утечек хладагента. Большинство хладагентов, за исключением углекислоты, этана и некоторых других, имеет умеренные давления пара при применяемых температурах конденсации.

Для повышения внутреннего К.П.Д. турбокомпрессоров холодильный агент должен иметь большой удельный объем пара, чтобы уменьшить потери при дросселировании.

Холодильный агент должен иметь малую теплоемкость жидкости и большую массовую холодопроизводительность.

Хладагенты должны быть химически стабильными и обладать коррозионной пассивностью. Например, аммиак несовместим с применением меди и ее сплавов, однако он не вызывает коррозии стали, фосфористой бронзы, а сернистый ангидрид при соединении с водой образует серную кислоту, разъедающую металлы.

Хладагенты не должны оказывать вредного воздействия на здоровье обслуживающего персонала при неизбежных на практике утечках их паров. Наибольшими отравляющими свойствами обладает сернистый ангидрид (в малых концентрациях - раздражение слизистых оболочек, больших - удушье). Аммиак в слабых концентрациях вызывает слезотечении и кашель, более значительные - поражение кожи, удушье, воспаление глаз, резкие головные боли. Несмотря на сильные токсические действия, аммиак не представляет грозной опасности, так как обладает характерным и резким запахом, по которому малейшая утечка может быть тотчас же обнаружена и устранена. В качестве хладагента широко применяются фреоны - галоидные производные насыщенных углеводородов CnH2n+2, получаемые путем замены атомов водорода атомами хлора Cl, фтора F и брома Br. Химическая формула фреона, полученного на базе углеводорода CnH2n+2 следующая CnHxFyClzBru.

Числа молекул отдельных составляющих, входящих в эти химические соединения связаны зависимостью x+y+z+u=2n+2.

Сокращенное обозначение фреона строится по формуле Ф-N, где N - номер фреона (двух или трехзначное число). Например CF2Cl2 (химическая формула) или Ф - 12 (справа пишется число атомов фтора во фреоне); C3F4Cl4 - или Ф - 214.

Рассмотрим некоторые особенности наиболее распространенных фреонов Ф - 11 (CFCl3), Ф - 21 (CHFCl2),- имеющих высокую нормальную температуру ts, поэтому очень удобных для теплонасосных установок.

Они характеризуются малой удельной объемной холодопроизводительностью поэтому их применяют главным образом в турбокомпрессорных установках. Все эти фреоны малотоксичны.

Хладагенты Ф - 12 и Ф - 22 наиболее распространены в современных компрессионных автоматизированных холодильных установках.

Они широко применяются в поршневых компрессионных установках при температуре испарения t0 ³ -40 0C и в турбокомпрессионных установках при t0 ³ -60 0С. Агенты малотоксичные и в отсутствие влаги коррозии металла не вызывают.

Основные эксплуатационные преимущества фреонов - относительная безвредность и химическая инертность, не горючесть и взрывобезопасность.

Недостатки - низкая вязкость, взаимная растворимость в масле. Учеными также доказано, что значительные утечки фреона способствуют разрушению озонового слоя, поэтому в ряде стран его применение запрещено

Для транспортирования холода от низкотемпературных установок потребителям иногда используют жидкости, температура затвердевания которых существенно ниже Тн. Такие вещества называются хладоносителями. Основные требования к хладоносителям:

малая вязкость для снижения гидравлических потерь в трубопроводах;

большая теплоемкость, для снижения расхода хладоносителя и уменьшения необратимых потерь при теплообмене;

малая коррозионная активность по отношению к черным и цветным металлам;

химическая стойкость;

низкая токсичность, не горючесть, взрывобезопасность.

В качестве хладоносителей в холодильных установках, как правило, применяются рассолы, т.е. растворы хлористого натрия NaCl и хлористого кальция CaCl в воде.

Список литературы

2.      <http://gardenweb.ru/teplonositeli-i-ikh-svoistva>

.        <http://5ballov.qip.ru/referats/preview/74256/32/?referat-sravnenie-effektivnosti-razlichnyih-teplonositeley>