Теплоноситель — это жидкое или газообразное вещество, применяемое для передачи, транспортировки и распределения тепловой энергии от источника тепла к теплопотребляющим приборам и установкам.
Теплоноситель является промежуточной средой, которая поглощает тепловую энергию от источника (котла, ТЭЦ) и переносит её к отопительным приборам и потребителям. В системах охлаждения теплоноситель, наоборот, отводит избыточное тепло (в этом случае его называют хладагентом).
Основные виды теплоносителей
Водный теплоноситель (вода) — наиболее распространённый вид, используемый в системах централизованного теплоснабжения городов и жилых зданий.
Основные преимущества воды как теплоносителя:
- Высокая теплоёмкость — поглощает большое количество тепла
- Низкая вязкость — легко перемещается по трубам и требует меньше энергии для циркуляции
- Безопасность — не токсична, экологически безопасна
- Доступность и дешевизна
Недостатки водного теплоносителя:
- Высокая коррозионная активность — вода содержит растворённый кислород, который вызывает окисление стальных и чугунных поверхностей, образуя окислы железа (ржавчину)
- Высокая температура замерзания (0°С) — замёрзшая вода увеличивается в объёме на 10%, способна разорвать трубы и радиаторы
Паровый теплоноситель — водяной пар, используемый в промышленных системах теплоснабжения для передачи высокотемпературной энергии.
Антифризные теплоносители — водные растворы гликолей, применяемые в системах, подверженных риску замерзания, в частных домах и объектах с периодическим отоплением.
Классификация антифризных теплоносителей
Водный раствор этиленгликоля:
Это промышленный антифриз с хорошими теплофизическими характеристиками:
- Температура замерзания: до –60°С (в зависимости от концентрации)
- Коэффициент расширения: всего 0,3–1,5% при замерзании, вместо 10% у воды
- Температура кипения: +106–116°С, выше чем у воды
- Форма при замерзании: при отвердевании образует кашицеобразную пластичную массу (шугу), безопасную для труб
Ограничения: Высокая токсичность III класса опасности — запрещено использование в жилых домах, детских учреждениях, открытых системах и двухконтурных котлах, где возможен контакт с питьевой водой.
Применение: Крупные промышленные предприятия, системы отопления промышленных зданий, где не требуется экологическая безопасность.
Водный раствор пропиленгликоля:
Это экологически безопасный антифриз, рекомендуемый для частных домов и систем с повышенными требованиями к безопасности:
- Температура замерзания: до –58–70°С (при концентрации 58%) в зависимости от концентрации
- Коэффициент расширения: 0,1% для пропиленгликоля и 1,5–2,0% для этиленгликоля
- Плотность: 1,03–1,05 кг/м³ (немного больше воды)
- Теплоёмкость: 3,98 кДж/(кг·°К), немного ниже чем у воды (4,218)
- Безопасность: нетоксичен, пригоден для двухконтурных котлов и систем питьевого водоснабжения
Недостатки: Меньшая удельная теплоёмкость (на 10–20% ниже этиленгликоля) и более высокая стоимость.
Ограничения: Вступает в реакцию с цинком, поэтому недопустимо использовать в системах с оцинкованными деталями.
Требования к теплоносителям
Для эффективной работы системы теплоснабжения теплоноситель должен соответствовать следующим требованиям:
1. Высокая теплоёмкость — способность поглощать большое количество тепла при небольшом увеличении температуры, позволяет эффективно переносить необходимое количество энергии.
2. Низкая вязкость и хорошая текучесть — обеспечивает лёгкое перемещение по трубам, снижает нагрузку на циркуляционный насос и уменьшает затраты электроэнергии.
3. Широкий температурный диапазон — теплоноситель должен сохранять жидкое состояние и свои характеристики как при сильном нагреве (высокая температура кипения), так и при сильном охлаждении (низкая температура замерзания).
4. Химическая инертность — не должен вступать в реакцию с материалами труб, радиаторов, уплотнителей и прокладок даже при нагревании.
5. Безопасность — для жилых помещений необходимо отсутствие токсичности и безвредность для человека и окружающей среды.
6. Минимальная расширяемость — при замерзании теплоноситель не должен значительно увеличиваться в объёме, чтобы не повредить систему.
7. Стабильность состава — физико-химические свойства должны сохраняться в течение всего периода эксплуатации (обычно 10 отопительных сезонов).
8. Смазывающие свойства — защита от образования отложений и коррозии на внутренних поверхностях труб и радиаторов.
Теплоноситель в централизованных системах теплоснабжения
В централизованных системах теплоснабжения жилых районов и городов используется исключительно вода различных степеней очистки.
Параметры качества теплоносителя в этих системах регулируются:
- Температурным графиком — определяет параметры теплоносителя в зависимости от температуры наружного воздуха, обеспечивая надлежащее отопление помещений
- Нормативными требованиями к составу — pH, жёсткость, содержание кислорода и других примесей
- Давлением и скоростью движения в трубопроводах
Для горячего водоснабжения используется вода с минимальной температурой не менее 60°С согласно санитарно-эпидемиологическим требованиям.
Другие типы теплоносителей
Глицериновые растворы — использовались в начале XX века, но вытеснены более совершенными аналогами из-за повышенной вязкости, выделения токсичного газа акролеина при нагревании и склонности к вспениванию.
Водные растворы неорганических солей — применяются во вторичных контурах холодильных установок.
Растворы органических соединений — используются в высокотемпературных контурах с непрямым нагревом как альтернатива перегретому пару.
Спирт — очень ограниченное применение в герметичных системах отопления с принудительной циркуляцией воздуха, так как испаряется и имеет низкую температуру кипения.
Воздух и газы — применяются в системах кондиционирования и воздушного отопления, хотя имеют низкую теплоёмкость.
Техническая характеристика пара как теплоносителя
Водяной пар — газообразное состояние воды, используется в промышленных системах:
- Температура кипения: 100°С при атмосферном давлении (101,325 кПа)
- Зависимость от давления: с увеличением давления растёт как температура, так и плотность пара
- Высокая энергоёмкость: за счёт теплоты парообразования (испарения) — энергии, необходимой для превращения воды в пар
- Применение: промышленные технологические процессы, требующие высокотемпературной энергии