+7(499)322-81-32
Показать меню
Скрыть меню

Теплоносители

Теплоносители

Многие технологические процессы в химической промышленности и в энергетике требуют подвода или отвода тепловой энергии. Для этого используют теплоносители, которые поглощают или отдают тепловую энергию в теплообменных аппаратах.

Теплагенты

Теплагенты разделяют на три класса:

Диапазоны температур, в которых образуются и используются теплагенты различных химических составов и фазовых состояний, представлены на рисунке ТН-1.

Теплоносители

Рисунок ТН-1. Интервалы рабочих температур теплагентов.

Высокотемпературные газообразные

Это отходящие дымовые газы, образующиеся при сжигании углеводородного топлива в печах, топках, камерах сгорания, турбинах. Обладают низкой теплоёмкостью, поэтому могут в процессе теплообмена отдать относительно немного тепловой энергии, менее 300 кДж / кг. Имеют низкий коэффициент теплоотдачи.

Высокая температура отходящих газов побуждает всё же утилизировать их тепловую энергию. Для этого широко используются регенеративные теплообменники, см. раздел сайта Регенеративные теплообменники.

Достоинства и недостатки отработанных и топочных газов

Преимущества

Недостатки

  • Наиболее высокий из всех теплагентов диапазон рабочих температур, 400 – 1 000 оС.
  • Дешевизна. По сути – отходы при сжигании топлива.
  • Малая удельная объёмная теплоёмкость (1,5 кДж / (М3 К)) приводит к необходимости работы с большими объёмами газов. Теплообменники имеют большие габариты, как и трубопроводы для доставки газов к ним.
  • Низкий коэффициент теплоотдачи от газа к стенке (50 Вт / (м2 К), что требует создания больших площадей теплопередачи. Это, в свою очередь, увеличивает габариты аппаратов.
  • Неравномерность нагрева, сложность управления нагревом, возможность образования конденсата и активизация процессов коррозии под действием активных соединений, содержащихся в конденсате.
  • Загрязнение материалов насадок в регенеративных теплообменниках, рабочих поверхностей и трубопроводов в рекуперативных теплообменниках.
  • Экологическая опасность – выброс в окружающую среду окиси углерода, двуокиси углерода, соединений серы и азота, тепловое загрязнение.

Водяной пар

Наиболее широко используются установки для получения насыщенного пара, котлы получения перегретого пара для энергетических установок, котлы – утилизаторы, выпарные установки.

Паровые котлы, обеспечивающие получение насыщенного пара, используются на химических предприятиях.

Паровые котлы на тепловых электростанциях снабжают перегретым паром паровые турбины, вращающие роторы электрогенераторов.

Котлы-утилизаторы используют на химических производствах для переработки тепловой энергии, высвобождающейся при экзотермических химических процессах. Так, при сжигании серы при производстве серной кислоты диоксид серы имеет температуру около 1 000 оС. Для дальнейшей переработки температуру необходимо понизить до 320 - 400 оС. Для этого за печью обжига устанавливается котёл – утилизатор.

Выпарные установки, обеспечивающие концентрирование водных растворов солей, в качестве побочного продукта выдают пар невысокого давления. Его можно компримировать, т.е. превратить в пар более высокого давления. Даже с учётом затрат на энергию для компрессора, осуществляющего компримирование, это выгодно. Компримированный пар используется для подогрева самой выпарной установки.

Достоинства и недостатки водяного пара как теплагента

Преимущества

Недостатки

  • Высокая теплопередача от конденсирующегося пара к стенке (5 000 – 15 000 Вт / (м2 К)).
  • Большое количество выделяемого тепла при конденсации пара (2 000 – 2 300 кДж / кг).
  • Пар допускает транспортировку на значительные расстояния (его надо перегреть для этого на 10 – 20 К).
  • Равномерность обогрева, т.к. температура конденсации пара везде одинакова.
  • Возможность регулирования температуры пара за счёт изменения его давления.
  • Пар нетоксичен, экологически безопасен, не горит и не взрывается.
  • Давление пара растёт с увеличением температуры. Использование пара высоких температур требует оборудования, способного работать на высоких давлениях.

  • Высокотемпературные органические носители

    Для нагревания выше 190 оС вместо водяного пара используют высокотемпературные органические жидкости (ВОТ). Такими жидкостями могут быть этиленгликоль, глицерин, нафталин, продукты хлорирования дифенила и полифенолов, их смеси.

    Подобрав соответствующий теплагент, можно, например, производить нагрев парами дифенила при атмосферном давлении и температуре теплоносителя 260 оС. Для получения пара такой температуры он должен иметь давление 4,6 МПа.

    Достоинства и недостатки ВОТ как теплагента

    Преимущества

    Недостатки

    • Возможность нагрева до 260 – 380 оС без повышения или с небольшим повышением давления.
    • Низкая токсичность большинства ВОТ.
    • Слабая коррозионная активность по отношению к обычным конструкционным материалам.
    • При конденсации дефинильной смеси выделяется примерно в 10 раз меньше тепла.
    • Стоимость использования дефинильной смеси заметно выше стоимости использования пара.
    • При нагреве свыше 400 оС смесь быстро разлагается. Если невозможно поддерживать температуру смеси в рабочем диапазоне, необходимо предусмотреть схему удаления из аппарата продуктов разложения.

    Вода

    Горячая вода получается как побочный продукт в котлах, предназначенных для получения водяного пара.

    Она может быть получена как конденсат, образующийся при работе выпарных установок.

    Она может быть получена специально в водогрейных котлах.

    Достоинства и недостатки воды как теплагента

    Преимущества

    Недостатки

    • В два раза большая теплоёмкость по сравнению с ВОТ.
    • Низкая, по сравнению с ВОТ, вязкость.
    • В 5 – 6 раз более высокий коэффициент теплоотдачи, чем у ВОТ.
    • Нетоксичность и пожаро- взрывобезопасность.
  • Ограниченный температурный диапазон. Для получения перегретой воды необходимо резкое повышение давления.
  • Для использования воды как теплагента она должна быть высокого качества.
  • Вода, особенно если в ней растворен кислород, обладает высокой коррозионной активностью к сталям и чугунам.
  • Минеральные масла

    Минеральные масла – это жидкие смеси высококипящих углеводородов с температурой кипения 300 – 600 оС. Получаются при переработке нефти. Эти среды используются для транспортировки тепла от топочных газов к потребителю достаточно давно, если нельзя организовать транспортировку перегретой водой или паром высокого давления.

    Достоинства и недостатки минеральных масел как теплагента

    Преимущества

    Недостатки

    • Возможность нагрева до высоких температур без повышения давления.
    • Низкая коррозионная активность.
    • Низкая стоимость по отношению к другим высокотемпературным теплоносителям.
    • Нетоксичность.
    • Невысокая теплоёмкость и низкий коэффициент теплопередачи.
    • Высокая вязкость, возрастающая со временем из-за окисления и полимеризации.
    • Разложение масел при перегреве. Это ограничивает диапазон рабочих температур 200 – 300 оС.
    • Загрязнение рабочих поверхностей аппаратов и трубопроводов продуктами разложения и полимеризации.
    • Горючесть масел, взрывоопасность их паров.

    Ионные высокотемпературные теплоносители

    Ионными высокотемпературными теплагентами являются расплавы солей. Широко используется смесь, состоящая из 40% Na NO2, 7% Na NO3, 53% K NO3. Также применяется смесь 45% Na NO2 и 55% KNO3.

    Температура плавления смесей – около 140 оС.

    ИВТ используются для транспортировки тепла, получаемого от дымовых газов.

    Достоинства и недостатки ИВТ как теплагента

    Преимущества

    Недостатки

    • Высокие рабочие температуры – до 540 оС.
    • Низкая токсичность.
    • Высокая температура плавления может привести к затвердеванию теплагента в трубах. Необходимо оснащать трубопроводы системой подогрева паром.
    • Высокая коррозионная активность по отношению к металлам.
    • Разложение при перегреве. Нитрат-нитритная смесь начинает разлагаться при 550 оС.

    Кремнийорганические высокотемпературные теплоносители

    Кремнийорганические высокотемпературные теплоносители (КВТ) относятся к группе ионных высокотемпературных органических теплоносителей.

    К КВТ относят силиконы, например, тетракрезилоксисилан, тетракселилоксисилан, арил- и алкилполисилоксаны.

    Тетракрезилоксисилан является эфиром кремниевой кислоты и крезола. Это жидкость светло – коричневого цвета с температурой плавления – 36 оС, кипит при атмосферном давлении при 440 оС.

    КВТ используются как транспорт тепла от дымовых газов.

    Достоинства и недостатки КВТ как теплагента

    Преимущества

    Недостатки

    • Низкие температуры плавления. КВТ не застывает в трубопроводах.
    • Низкая токсичность.
    • Низкая коррозионная активность.
    • Пары быстро разлагаются. КВТ не рекомендуется нагревать до температур, близких к температуре кипения.
    • Подвержены гидролизу. Аппараты должны предохранять КВТ от контакта с влагой.
    • Стоимость КВТ выше, чем у ВОТ и ИВТ.

    Жидкометаллические теплоносители

    Для транспортировки тепла дымовых газов могут использоваться расплавы металлов с низкой температурой плавления, таких, как свинец, висмут, кадмий, сурьма, олово.

    Нижняя рабочая температура таких теплоносителей определяется температурой плавления металла.

    Также жидкометаллические теплоносители нашли широкое применение в атомной энергетике.

    Достоинства и недостатки жидкометаллических теплоносителей

    Преимущества

    Недостатки

    • Наибольшие из всех жидких теплоносителей рабочие температуры.
    • Термическая стойкость.
    • Высокая токсичность паров металлов.
    • Более низкий, чем у воды коэффициент теплоотдачи.
    • Агрессивное воздействие на материалы аппаратов и трубопроводов.
    • Застывание в трубопроводах при остывании.

    Хладагенты

    Хладагенты делятся на жидкие и газообразные, в зависимости от фазового состояния. Фазовое состояние хладагента в ходе теплообмена может изменяться.

    Преимущественно в химической промышленности в качестве хладагента используется воздух. Дешевизна и доступность воздуха перевешивает его недостатки как хладагента – низкие плотность и теплоёмкость, низкий коэффициент теплопередачи.

    В процессах, связанных с малыми количествами продукции, малотоннажных процессах, используются другие газы, например, элегаз SF6, шестифтористая сера. Плотность элегаза в пять раз больше воздуха, а молярная изобарная теплоёмкость - в три раза.

    Высокая стоимость элегаза ограничивает его широкое использование.

    Из жидких хладагентов в химической промышленности чаще всего используется вода. Этот хладагент занимает второе место по доступности после воздуха.

    Воздух и вода обеспечивают потребности химических производств в хладагентах, если требуется охлаждение до 30 оС.

    Отобранное воздухом и водой тепло непосредственно рассеивается в окружающей среде, что существенно снижает стоимость процессов охлаждения.

    Охлаждение до более низких температур осуществляется с помощью «посредников» - холодильных машин. Но и они, в конечном итоге, отдают отобранное у объекта охлаждения тепло в окружающую среду.

    В качестве хладагента, обеспечивающего доставку холода к объекту охлаждения, может использоваться вода, если рабочие температуры выше температуры ее замерзания. Температуру замерзания можно понизить, добавляя в воду, например, соли, такие, как хлорид кальция. Водные растворы солей называют холодильными рассолами. Они играют роль промежуточного теплоносителя, охлаждаясь при тепловом взаимодействии с рабочим телом холодильной машины (источник холода) и нагреваясь в ходе теплового взаимодействия с охлаждаемой средой, которая является целевым потребителем холода.

    Рабочим телом в холодильной машине служат вещества, которые легко конденсируются при повышении давления в компрессоре холодильной машины. Жидкое рабочее тело затем охлаждается, отдавая накопленное тепло окружающей среде в рекуперативном теплообменнике, затем, испаряясь (или адиабатически расширяясь) забирает тепло у промежуточного теплоносителя. В качестве рабочего тела в холодильных машинах используется аммиак, фреоны (хладоны), двуокись углерода (углекислый газ).

    В ряде случаев удаётся обойтись без промежуточного теплоносителя, холодильного рассола, и организовать охлаждение целевой среды за счёт её непосредственного теплового взаимодействия с рабочим телом холодильной машины.

    Аммиак, фреоны, диоксид углерода и холодильные рассолы составляют класс низкотемпературных жидких хладагентов, обеспечивающих охлаждение в диапазоне температур от – 120 оС до 30 оС,

    Для охлаждения в диапазоне от – 120 оС и почти абсолютного нуля по Кельвину используются сжиженные газы, криоагенты – этан, метан, кислород, азот, аргон, гелий.

    Интервалы рабочих температур для различных хладагентов представлены на рисунке ТН-2.

    Теплоносители

    Рисунок ТН-2. Интервалы рабочих температур хладагентов.

    Воздух

    Воздух – прямой источник холода. В большинстве случаев воздух можно сразу использовать как хладагент без предварительной подготовки. Даже если подготовка требуется (снижение влажности и удаление механических взвесей), воздух всё равно остаётся наиболее дешёвым хладагентом.

    Теплообменная аппаратура, в которой воздух выступает хладагентом, имеет достаточно высокую стоимость в силу того, что её размеры велики. Низкие плотность воздуха и теплоёмкость приводят к необходимости прокачивать через теплообменник его большие объёмы. Это приводит к большим рабочим сечениям аппаратов. Низкий коэффициент теплоотдачи от стенки к воздуху приводит к необходимости увеличивать площадь поверхности теплообмена со стороны воздуха. Для этого применяют оребрение, см. раздел сайта Поверхностные теплообменники.

    Недостатки воздуха, как хладагента (низкая плотность, теплоёмкость, коэффициент теплоотдачи) компенсируются, если осуществлять теплообмен не через стенку теплообменника, а при непосредственном взаимодействии агентов в смесительных теплообменниках, см. раздел сайта Смесительные теплообменники.

    Охлаждение со смешением применяется в основном для пары вода – воздух. Частичное испарение воды и капельный унос в процессе её охлаждения и связанные с этим безвозвратные потери воды не существенно увеличивают стоимость технологического процесса. Воздействие на окружающую среду увлажнённого воздуха не слишком велико, хотя всё равно должно приниматься в расчёт.

    Наиболее распространёнными аппаратами для охлаждения воды воздухом при их смешении являются градирни, см. раздел сайта Смесительные теплообменники. Охлаждение воды в градирнях происходит как за счёт теплообмена воды и воздуха, но, в основном – за счёт частичного испарения воды при противоточном движении воздуха и воды.

    Достоинства и недостатки воздуха как хладагента

    Преимущества

    Недостатки

    • Воздух доступен повсеместно на производственной площадке. Зачастую не требуется его предварительная подготовка перед использованием как хладагента.
    • Дешевизна. Получается из окружающей среды и является непосредственным источником холода.
    • Загрязнение рабочих поверхностей, соприкасающихся с воздухом, минимальны и легко удаляются.
    • Низкая плотность (1,29 кг/м3 при нормальных условиях) низкая изобарная теплоёмкость (1,006 кДж / (кг К) при н.у.) приводят к необходимости прокачивать через теплообменный аппарат большие объёмы воздуха. Это увеличивает габариты аппаратов воздушного охлаждения.
    • Низкий коэффициент теплоотдачи от стенки аппарата к воздуху (10 -15 Вт / (м2 К) при разнице температур между воздухом и мембраной (стенкой) теплообменника требует большую площадь поверхности для теплопередачи, что делает оребрение практически неизбежным.
    • Низкая суммарная теплопередача во многих случаях приводит к необходимости создавать системы с принудительной циркуляцией воздуха.
    • В зимнее время воздух может иметь температуру до - 30 оС. Это не избавляет от необходимости проектирования и строительства воздушных теплообменников исходя из наименее благоприятных условий, когда воздух прогревается до 30 и более градусов.

    Вода как хладагент

    Вода может служить прямым источником холода, как и воздух. В зависимости от времени года в России температура воды – от 4 до 25 и более градусов. Артезианская вода – от 4 до 12 оС. При проектировании водоохлаждающих установок температуру воды принимают, исходя из самых неблагоприятных, с точки зрения охлаждения, условий.

    Для воды, как хладагента, не следует рассчитывать на охлаждение ниже 30 оС за счёт теплопередачи в окружающую среду.

    Существует проблема при отборе тепла водой при высоких температурах охлаждаемого вещества. Если температура воды после отвода тепла составляет около 80 оС, то в системе её циркуляции могут выпадать нерастворимые осадки, состоящие из нерастворимых карбонатов, образующихся из гидрокарбонатов кальция и магния. Поэтому следует выбирать режим охлаждения, при котором вода не нагревается свыше 50 оС.

    Для уменьшения выпадения нерастворимых осадков в трубах циркуляции воды применяют различные виды водоподготовки для её очистки. На больших химических предприятиях и мощных электростанциях для этого функционируют цеха водоподготовки и соответствующие химические лаборатории.

    Особенно высокие требования к воде предъявляются, если она используется в химических реакциях или для приготовления пара.

    Использование водоподготовки и требования по охране окружающей среды всё больше заставляют производителей переходить на замкнутые системы водоснабжения, внедряя циклы водооборота.

    Достоинства и недостатки воды как хладагента

    Преимущества

    Недостатки

    • Невысокая стоимость воды: дороже воздуха, но дешевле остальных хладагентов.
    • Самая высокая теплоёмкость среди хладагентов – 4,18 кДж / (кг К).
    • Высокий коэффициент теплоотдачи от мембраны к воде 1 000 - 6 000 Вт / (м2 К).
    • Безопасность – не токсична, пожаро- и взрывобезопасна.
    • Служит либо прямым источником холода, либо допускает наиболее низкое по затратам охлаждение в градирнях.
    • Коррозионная активность, особенно, если в трубах протекает водовоздушная смесь.
    • Содержание в воде жёстких солей может вызывать загрязнение поверхностей, омываемых горячей водой.
    • В зимнее время вода может иметь температуру до 4 оС. Это не избавляет от необходимости проектирования и строительства водяных теплообменников, исходя из наименее благоприятных условий, когда вода прогревается до 30 и более градусов.

    Холодильные рассолы

    Холодильные рассолы приготовляются из воды и растворимых солей – хлорид кальция, натрия и пр.

    Рассолы применяются как транспорт для доставки холода от холодильной машины к потребителю. Например, мощная холодильная машина ледового дворца на хладонах производит холод. Холодильный рассол растекается по трубам, положенным под ледовой ареной и вызывает образование льда из воды, которой была залита арена.

    Вода, которая замерзает при 0 оС, для транспортировки холода в этих условиях не пригодна.

    Раствор, который по массе содержит 30% хлорида кальция, замерзает при температуре ниже – 50 оС.

    Таким образом, холодильные рассолы могут использоваться в температурном диапазоне от – 50 до + 30 оС.

    Совместно с холодильными рассолами в этом температурном диапазоне в качестве хладагентов используются аммиак, фреоны (хладоны) и углекислая кислота.

    Достоинства и недостатки холодильных рассолов

    Преимущества

    Недостатки

    • Невысокая стоимость рассолов по сравнению с аммиаком и хладонами. Рассолы уменьшают объем использования последних. Это удешевляет доставку холода к объекту – потребителю и снижает риски опасных воздействий на окружающую среду.
    • Замерзание части рассола повышает его концентрацию и, тем самым, препятствует замерзанию оставшейся части рассола.
    • Высокая теплоёмкость рассола позволяет обеспечить охлаждение целевой среды в течение некоторого времени после остановки холодильной машины).
    • Безопасность – не токсичны (относительно), пожаро- и взрывобезопасны.
    • Высокая коррозионная активность, особенно, если в трубах присутствует воздух.
    • Использование посредника – рассола – снижает эффективность процесса охлаждения.
    • Рассол более вязок, чем аммиак, фреоны и двуокись углерода. Затраты на перекачивание выше.

    Аммиак в роли хладагента

    Аммиак, NH3 – в н.у. бесцветный газ с резким запахом. При повышенном давлении легко сжижается. Температура плавления аммиака – 77,7 оС, кипит в н.у. при – 33 оС.

    Эти свойства и невысокая стоимость производства позволяют использовать аммиак в абсорбционных и компрессионных холодильных машинах.

    До настоящего времени аммиак остаётся самым распространённым холодильным агентом.

    По физиологическому действию на организм аммиак относится к группе веществ удушающего и нейротропного действия, способных при вдыхании вызвать токсический отёк лёгких и тяжёлое поражение нервной системы.

    Поэтому при использовании аммиака должны предусматриваться меры безопасности для обслуживающего персонал и лиц, проживающих или работающих возле мощных холодильных машин, использующих аммиак.

    Достоинства и недостатки аммиака как хладагента

    Преимущества

    Недостатки

    • Невысокая стоимость относительно фреонов позволяет отказаться от промежуточного транспорта холода, что повышает эффективность системы охлаждения.
    • Высокая теплоёмкость аммиака, сравнимая с теплоёмкостью воды.
    • Высокий коэффициент теплоотдачи от мембраны к аммиаку.
    • Низкая вязкость, в 7 раз меньше, чем у воды.
    • Оптимальные свойства в важном для холодильной техники диапазоне, от – 50 оС до + 10 С.
    • Низкое корродирующее действие на стенки аппаратов.
    • Относительная экологическая безопасность, если предупредить массированные выбросы аммиака, т.к. является соединением, повсеместно присутствующем в окружающей среде.
    • В больших концентрациях вещество удушающего и нейротропного действия.
    • Пожаро- и взрывоопасен.

    Фреоны – хладоны

    Фреоны (хладоны) – техническое название группы насыщенных алифатических фторсодержащих углеводородов. Используются в качестве хладагентов Фреоны могу содержать хлор и бром. Содержащие атомы хлора фреоны при попадании в атмосферу имеют тенденцию накапливаться в её верхних слоях. Образующийся при их разрушении под действием солнечной радиации свободный хлор губительно действует на озоновый слой атмосферы Земли. Поэтому в настоящее время действует всемирная конвенция, запрещающая использование хлорсодержащих фреонов.

    Достоинства и недостатки фреонов

    Преимущества

    Недостатки

    • В зависимости от химического состава фреоны могут использоваться в холодильных машинах с рабочими температурами от – 120 оС до + 30 С.
    • По теплоёмкости и теплопередаче значительная часть фреонов не уступает аммиаку.
    • Низкое корродирующее действие на стенки аппаратов.
    • Низкая токсичность.
    • Пожаро- и взрывобезопасность.
    • Являясь хорошим растворителями, фреоны смывают загрязнения с внутренних поверхностей аппаратов.
    • Фреоны способствуют разрушение озонового слоя Земли.
    • При нагревании больше 250 С разрушаются с образованием токсичных соединений, в том числе – фосгена, боевого отравляющего газа.
    • Стоимость фреонов выше, чем у аммиака.

    Правила портала и отказ от ответственности
    Информационный специализированный ресурс teploobmenniki.pro
    Проект B2B-Studio.ru
    Перейти к полной версии Перейти к мобильной версии