Теплоносители

Теплоносители классифицируют по назначению, агрегатному состо­янию и диапазону рабочих температур и давлений.

По назначению выделяют греющий, теплоноситель, охлаждающий теплоноситель, или хладоноситель, промежуточные тепло- и хладоносители, хладагент (рабочее тело в холодильных циклах), сушильный агент и т. п. По агрегатному состоянию различают однофазные и мно­гофазные (чаще двухфазные) теплоносители. К однофазным относятся низкотемпературная плазма (пламя); газы, неконденсирующиеся пары, смеси газов и неконденсирующихся паров;- не кипящие и не испаряю­щиеся при рабочем давлении жидкости, их смеси, растворы; твердые материалы (чаще сыпучие). К двухфазным и многофазным теплоноси­телям относятся кипящие, испаряющиеся и распыляемые газом жидко­сти, конденсирующиеся пары, парогазовые смеси при конденсации со­держащихся в них паров; плавящиеся и затвердевающие, возгоняющие­ся (сублимирующие) и десублимирующие твердые вещества, пены, газовзвеси, аэрозоли и другие запыленные газовые потоки; эмульсии, суспензии-, шламы, пасты и прочие реологически сложные системы [41].

По диапазону рабочих температур выделяют высокотемпературные, среднетемпературные, низкотемпературные теплоносители и теплоноси­теле применяемые при криогенных температурах. К высокотемпературным газообразным теплоносителям относят дымовые или топочные газы. Их температура может достигать 1500°С. К высокотемпературным теплоносителям в виде капельных жидкостей принято относить вещества температура кипения которых при атмосферном давлении превышает 200 °С. Это минеральные масла, кремнийорганические и дифенильные соединения, расплавы солей и жидкие металлы (табл. 1.1). К среднетемпературным теплоносителям в первую очередь относят водяной пар, воду и воздух. Пар используют при температурах до 650 °С, воду – до 375 °С, воздух – до 100 °С (табл. 1.2). Низкотемпературными теплоносителями принято считать такие, температура кипения которых при давлении 0,1 МПа обычно не превышает 0°С. К ним в первую очередь относят холодильные агенты. На рис. 1.2 приведены зависимости температур кипения от давления для некоторых из них. Криогенными теплоносителями называют сжиженные газы (кислород, водород, азот, воздух и др.) и их пары. Область их применения лежит ниже–150°С.

Требования, которым должны соответство­вать теплоносители, сводятся к следующему: достаточно высокая температура кипения при атмосферном давлении, большая интенсив­ность теплообмена, термическая стойкость, низкая температура плавления, малая вяз­кость, большие удельная теплоемкость и теп­лота парообразования, слабые коррозионная активность и токсичность, невоспламеняе­мость, взрывобезопасность и невысокая сто­имость.

Допустимые и оптимальные расстояния, на которые может быть осуществлен транспорт теплоты с помощью теплоносителей от ее источ­ника к потребителю, скорость движения и температуры теплоносителя в аппаратах устанавливают в результате технико-экономических рас­четов. При этом учитывают капитальные вложения, которые определя­ются затратами на изготовление элементов системы, проведение строительных работ и монтаж оборудования, а также эксплуатационные за­траты, включающие стоимость энергии на прокачку теплоносителя, рас­ходы на ремонт оборудования и зарплату обслуживающего персонала [331.

Самыми распространенными теплоносителями являются водяной пар, горячая и холодная вода, то­почные и дымовые газы, воздух.

В значительной степени это объясняется их доступностью и нетоксичностью.

Расход энергии на транспорт газообразных теплоносителей из-за ма­лой их плотности, низких коэффициентов теплоотдачи, больших массо­вых и особенно объемных расходов значительно выше, чем на транс­порт капельных жидкостей. Поэтому дымовые газы, например, транс­портируют не более чем на несколько сотен метров, пар под давлени­ем – на расстояния до десятков километров, воду – на десятки и сотни километров. При высоких давлениях свойства газов и паров, скорости их движения и технико-экономические показатели приближаются к ана­логичным характеристикам капельных теплоносителей. Чем выше дав­ление, тем ниже допустимая скорость паров и газов.

Для предотвращения абразивного износа трубопроводов и поверх­ностей нагрева скорость движения запыленных газовых потоков не должна превышать 10–12 м/с.

Дымовые газы содержат пары воды и хорошо растворяющиеся в ней с образованием кислот оксиды углерода, серы и азота: Поэтому для предотвращения коррозии оборудования их не рекомендуется ох­лаждать ниже температуры точки росы (обычно 125–135 °С), при ко­торой начинается конденсация пара.

Если в качестве теплоносителя используют влажный воздух, то на поверхности с отрицательной температурой образуется лед или иней, что снижает интенсивность теплоотдачи.

При необходимости обеспечение более высоких плотностей тепловых потоков, чем при фазовых превращениях, используют химически реаги­рующие вещества, так как тепловые эффекты реакций примерно на по­рядок выше скрытой теплоты парообразования.

Контрольные вопросы

1. Назовите основные виды теплоэнергетического и теплотехнологического обо­рудования промышленных предприятий.

2. Чем отличается теплообменный аппарат от массообменного?

3. Что такое теплоноситель?

4. Перечислите известные вам режимы работы теплообменников.

5. Какие из теплоносителей принято относить к высоко-, средне- и низкотемпе­ратурным?

6. Укажите область работы криогенных теплоносителей.

7. Укажите ориентировочный диапазон скоростей в теплообменных аппаратах для таких теплоносителей, как вода, водяной пар, воздух, дымовые газы.

8. Для каких теплоносителей – газообразных или капельных жидкостей – выше удельные затраты мощности на перемещение в трубах и каналах?

9. В случае каких из перечисленных процессов: кипения, нагревания, конденсации, охлаждения – температура теплоносителя в теплообменнике не изменяется?

10. Перечислите достоинства и недостатки высокотемпературных органических теплоносителей по сравнению с водой.

11. Для какого из перечисленных процессов: конденсации чистого пара, охлажде­ния жидкостью, нагревания газов – коэффициент теплоотдачи имеет наибольшее зна­чение и для какого наименьшее?

12. Какие из теплоносителей принято называть хладагентами?

13. Перекислите способы снижения расхода воды в промышленности.

Глава вторая