Характеристика основных теплоносителей систем отопления

Теплоносителем для отопления может быть любая жидкая или газообразная среда, обладающая способностью аккумулировать тепло и изменять свои основные теплотехнические показатели, а также достаточно подвижная и дешевая. Вместе с тем теплоноситель должен способствовать выполнению требований, предъявляемых к отопительной установке

Для отопления зданий и сооружений в настоящее время используют:

· воду, водяной пар,

· атмосферный воздух,

· дымовые газы.

· Органические теплоносители, температура кипения которых при атмосферном давлении превышает 250° С (полифенилы и др.), чаще применяются в специальных высокотемпературных установках.

Дадим сравнительную характеристику этим теплоносителям, которая отражает требования, предъявляемые к отопительной установке, а также свойства самих теплоносителей.

Дымовые газы:

Газы, образующиеся при сгорании твердого, жидкого или газообразного топлива, имеют сравнительно (высокую температуру и применимы для отопления в тех случаях, когда в соответствии с санитарно-гигиеническими требованиями удается ограничить температуру теплоотдающей поверхности приборов. Из-за высокой температуры продуктов сгорания топлива возрастают бесполезные потери тепла при транспортировании.

Выпуск продуктов сгорания топлива в отапливаемые помещения ухудшает состояние их воздушной среды и в большинстве случаев недопустим, поэтому каналы для дымовых газов должны отличаться высокой герметичностью и плотностью, а для удаления газов наружу необходимы дымоходы, которые конструктивно усложняют систему отопления и требуют нарушения целостности стен или покрытия здания.

Область использования продуктов сгорания как теплоносителя ограничена системами местного отопления с такими отопительными установками, как отопительные печи, газовые калориферы и т. п.

Наибольшее распространение в качестве теплоносителей в системах отопления имеют вода, пар и воздух.

Сопоставим эти теплоносители как по физическим свойствам, так и по технико-экономическим, санитарно-гигиеническим и эксплуатационным показателям, важным для выбора системы отопления.

Прежде всего перечислим физические свойства каждого из теплоносителей, отражающиеся на конструкции и действии системы отопления.

Свойства воды:

большие теплоемкость (4,187 кДж/(кг С) и плотность (1000 кг/м3 при 4 С), несжимаемость, расширение при нагревании с уменьшением плотности, повышение температуры кипения при увеличении давления, уменьшение абсорбции воздуха при нагревании и снижении давления.

Свойства пара:

высокая подвижность, малая плотность, повышение температуры и плотности при увеличении давления, большое теплосодержание за счет тепла фазового превращения.

Свойства воздуха:

малая теплоемкость и плотность, легкая подвижность, уменьшение плотности при нагревании.

Существенным технико-экономическим показателем является масса металла, расходуемого при том или ином теплоносителе на изготовление теплообменника, отопительных приборов и теплопроводов, влияющая на стоимость устройства и эксплуатации системы отопления.

При теплоносителе воздух площадь нагревательной поверхности калорифера уменьшается по сравнению с площадью отопительных приборов при двух других теплоносителях. При теплоносителе пар площадь (и масса) отопительных приборов меньше, чем при теплоносителе воде, что объясняется более высокой температурой паровых приборов.

Если при паре температура теплоносителя в приборе равна температуре насыщенного пара (например, 150 °С), то при воде эта температура может быть равна полусумме температуры воды, входящей и выходящей из прибора [например, (150+70)0,5 = 110 °С]. В этом примере соотношение площадей нагревательной поверхности паровых и водяных приборов приблизительно равняется (110 — 20): (150 — 20) = 9:13 (20 °С — температура воздуха в помещении).

Расход металла на теплопроводы возрастает с увеличением площади их поперечного сечения.

Определим соотношение площадей поперечного сечения теплопроводов, по которым транспортируются вода, пар и воздух в объемах, необходимых для передачи помещению одинакового количества тепла. Примем, что для отопления используется вода, температура которой снижается от 150 до 70 °С, пар, имеющий избыточное давление 0,37 МПа или 3,8 кгс/см2, и воздух, охлаждающийся от предельно допустимой нормами температуры 70 °С до температуры помещения 15 °С.

Аналогичные расчеты при использовании для отопления низкотемпературной воды (95 °С) и пара низкого избыточного давления 0,02 МПа (0,2 кгс/см2) выявляют подобную закономерность — для воздуха необходима площадь поперечного сечения теплопровода приблизительно в 100 раз большая, чем для воды или пара. Это связано со способностью воды аккумулировать значительное количество тепла в единице объема, свойством пара перемещаться с высокой скоростью и малой теплоаккумуляционной способностью воздуха.

Таким образом, по площади поперечного сечения теплопроводов воздух является наименее выгодным теплоносителем. При значительной длине воздуховодов, когда из-за малой теплоемкости и увеличенной теплоотдающей поверхности воздух заметно охлаждается в пути, применять его в качестве теплоносителя нецелесообразно. Поэтому для теплоснабжения используется не воздух, а вода или пар. Напомним, что в СССР наибольшее распространение получила водяная теплофикация на базе строительства теплоэлектроцентралей (ТЭЦ).

Сравним также теплоносители воду, пар и воздух по санитарно-гигиеническим показателям и в первую очередь по температурным условиям, создающимся в помещении при использовании того или иного теплоносителя. Воздух, как малотеплоемкий теплоноситель, полностью отвечает требованию постоянно поддерживать в помещении определенную температуру независимо от колебания температуры наружного воздуха. Температура воды, как и теплоносителя воздуха, также может изменяться в широких пределах, однако из-за тепловой инерции отопительных приборов с водой возможно некоторое изменение температуры помещения даже при автоматическом регулировании теплопередачи приборов.

Планомерное изменение температуры теплоносителей воздуха и воды в зависимости от температуры наружного воздуха (с которой связаны теплопотери помещений), называемое качественным регулированием, практически невозможно при теплоносителе паре. Температура насыщенного пара определяется, как известно, его давлением. При значительном изменении давления пара в системе отопления не происходит заметного изменения его температуры, а следовательно, теплопередачи отопительных приборов. Например, при снижении избыточного давления с 0,05 до 0,005 МПа, т. е. в 10 раз, температура пара понижается с 110,8 до 100,4 °С, т. е. только на 10%. Для уменьшения теплопередачи приборов приходится периодически их выключать, что вызывает колебание температуры помещений, противоречащее гигиеническому требованию.

Другое санитарно-гигиеническое требование ограничивать температуру поверхности отопительных приборов обусловлено явлением разложения и сухой возгонки органической пыли, сопровождающимся выделением вредных веществ, в частности окиси углерода. Разложение пыли начинается при температуре 65—70° и интенсивно протекает на поверхности, имеющей температуру более 80 °С.

При использовании воды температура поверхности отопительных приборов постоянно ниже, чем при применении пара с одинаковой начальной температурой. Это, как уже известно, связано с понижением температуры воды в приборах при теплопередаче, а также в системе в целом — при повышении температуры наружного воздуха. Следовательно, применение воды позволяет поддерживать среднюю температуру поверхности приборов почти весь отопительный сезон на уровне не выше 80 °С. При теплоносителе паре температура поверхности большинства отопительных приборов превышает гигиенический предел.

В центральных системах воздушного отопления возможна очистка нагреваемого воздуха от пыли, и такие системы будут гигиеничными. В местных системах разложение пыли на поверхности теплообменника зависит от вида первичного теплоносителя: оно неизбежно при паре и связано с температурой воды.

Эксплуатационные показатели трех сопоставляемых теплоносителей частично уже рассмотрены при их технико-экономической и санитарно-гигиенической оценке. Можно еще отметить различие в их плотности. Плотность воды существенно отличается от плотности пара (в 400—1500 раз) и воздуха (в 900 раз), что вызывает значительное гидростатическое давление в отопительных приборах систем водяного отопления многоэтажных зданий и ограничивает высоту систем.

Воздух и вода могут перемещаться в теплопроводах бесшумно (до определенной скорости движения). Частичная конденсация пара из-за попутной потери тепла паропроводами (появление, как говорят, попутного конденсата) вызывает шум (пощелкивание, стук и удары) при движении пара.

Подытожим сравнительные достоинства и недостатки теплоносителей — воды, водяного пара и атмосферного воздуха.

Достоинства воды как теплоносителя:

При использовании воды, как теплоемкого теплоносителя, изменяющего в широких пределах температуру,

· сокращается площадь поперечного сечения труб,

· ограничивается температура поверхности отопительных приборов,

· обеспечивается равномерность температуры помещений,

· уменьшаются бесполезные потери тепла,

· обеспечиваются бесшумность действия и сравнительная долговечность систем отопления.

Недостатки:

· применения воды относятся значительные гидростатическое давление

· расход металла в системах;

· тепловая инерция воды в отопительных приборах, что снижает качество регулирования их теплопередачи.

Достоинства пара как теплоносителя:

При использовании пара

· сокращаются площади поверхности отопительных приборов и поперечного сечения конденсатопроводов.

· Пар — легкоподвижный теплоноситель,

· Пар быстро прогревает помещения, обладает малой тепловой инерцией и незначительным гидростатическим давлением.

Недостатки:

· пар не способствует требуемому регулированию температуры теплоносителя,

· повышает температуру поверхности приборов до 100 °С и более,

· вызывает ускоренную коррозию труб.

· При применении пара увеличиваются эксплуатационные затраты на отопление, создаются затруднения при его использовании,

· перегреваются помещения,

· возникает шум при действии,

· увеличиваются бесполезные потери тепла и расход топлива.

Достоинства воздуха как теплоносителя:

· Воздух — малотеплоемкий, легкоподвижный, хорошо регулируемый (по температуре и количеству) теплоноситель, обеспечивающий быстрое изменение или равномерность температуры помещений, безопасный в пожарном отношении.

· При использовании воздуха возможно устранение отопительных приборов из помещений и осуществление вентиляции помещений.

Недостатки:

· существенное увеличение площади поперечного сечения и массы воздуховодов,

· возрастание бесполезных потерь тепла,

· расхода теплоизоляционного материала и топлива,

· заметное понижение его температуры по длине воздуховодов.

Антифризы для систем отопления:

Минусы:

По сравнению с водой:

1. Стоимость незамерзайки вполне высокая, особенно незамерзаек импортных (добавлено позднее).

2. высокая вязкость (в 2-3-4 раза выше), что требует более мощных циркуляционных насосов, раза в полтора,

3. Низкая теплопроводность, что влечет увеличение мощности радиаторов на 30-40%, в зависимости от характеристик антифриза возможно и на 50%, увеличение расхода энергии (газ, электричество, соляра) для нагрева отопительной системы, что увеличивает счета на их оплату, увеличение мощности котла - тоже дополнительные траты (добавлено позднее),

4. Низкая теплоемкость (система остывает намного быстрее).

5. Объемное расширение выше процентов на 50, что требует установки расширительного бака большего объема.

6. Повышенная текучесть (проницаемость). К соединениям предъявляются намного бОльшие требования, все соединения должны быть доступны к обслуживанию.

7. Этиленгликолевые соединения при определенном нагреве разлагаются на еще более активные составляющие.

8. Этиленгликоль яд. Для потери зрения достаточно что-то в районе 30 грамм, 100 или 150 грамм - смерть. Пары этиленгликоля также ядовиты. Незамерзайки на других основах позиционируются как неядовитые, однако при попадании на кожу рекомендуется смыть большим количеством воды, при попадании на слизистые или вовнутрь срочно обратиться к врачу.

9. Основная масса производителей котельного оборудования напрямую не разрешает применение незамерзаек.

Плюс:

Минимальная вероятность разморозки труб системы отопления

Виды антифриза:

Антифризы на основе этиленгликоля получили широкое распространение, как за рубежом, так и у нас и считаются наиболее оптимальным теплоносителем. Зачастую, под понятием “ антифриз ” понимают жидкость, состоящую из этиленгликоля и воды. Конечно, при правильном соотношении этих составляющих, раствор будет обеспечивать определенную температуру замерзания. Однако, в таком виде ее нельзя использовать в системах отопления, так как она является коррозийно-агрессивной жидкостью и в нее обязательно нужно вводить ингибиторы коррозии, антивспенивающие, антинакипные и другие присадки. Не стоит использовать в качестве теплоносителя, известный всем автовладельцам “Тосол”. Он не рассчитан на работу в системах отопления, особенно, если имеется сочетание алюминиевых радиаторов с трубами из черных металлов. Да и самый качественный тосол, не рассчитан на столь длительный нагрев.

· Для индивидуальных систем отопления чаще всего используют такие низкозамерзающие жидкости, как “ Аргус - Хатдип ”, “ Хот - Блад ”, “ Диксис ”, “ Нордикс ”, “ Теплый дом ”. “ Аргус - Хатдип ” не очень хорошо зарекомендовал себя в качестве теплоносителя – на него было много нареканий. Самый большой его минус, - он “сгорал” в системе. Связано это с тем, что в нем практически отсутствуют присадки обеспечивающие стабильность теплоносителя. К тому же он имеет низкие антикоррозийные свойства. “ Хот - Блад ”, “ Тэкс ” – наиболее доступные и качественные жидкости. Неплохие отзывы и о “ Хот Блад Эко ”. В нем вместо этиленгликоля используется нетоксичный пропиленгликоль.

А теперь поговорим о правилах использования бытового антифриза.

Бытовой антифриз можно использовать в отопительных системах практически с любыми видами отопительных котлов: твёрдотопливными, газовыми, жидкотопливными. Исключение составляют электрические системы, в которых нагрев теплоносителя происходит за счет пропускания через него электрического тока. В большинстве случаев, основу бытового антифриза составляет моноэтиленгликоль, в который добавлены специальные присадки для придания теплоносителю антивспенивающих и антикоррозионных свойств, а так же специальные добавки для смягчения воды, которую используют для разбавления антифриза. Обычно антифриз имеет розово – красный цвет.

Температура замерзания бытового антифриза составляет порядка - 65 градусов. Что бы получить жидкость с нужной температурой замерзания, антифриз разбавляют водой.

Сильное (более 50%) разбавление водой приведет к ухудшению антикоррозийных свойств теплоносителя и возможному выпадению в виде осадков, солей растворенных в воде. Оптимальной температурой замерзания считается - 30?С. Следует знать, что при замерзании антифриза, сначала образуется “шуга”, состоящая из жидкости и кристалликов льда, а полное затвердевание происходит при понижении температуры еще градусов на 5 – 6. Так что всегда имеется своеобразный запас. При разбавлении антифриза, желательно использовать воду до 7 единиц жёсткости. Обычно, жесткость водопроводной воды лежит в пределах 2 – 6 единиц. Использование более жесткой воды, с повышенным содержанием солей, может привести к образованию осадка. Перед смешиванием, желательно испробовать воду на небольшом количестве антифриза в прозрачной емкости и убедиться в отсутствии осадка. Прежде чем заливать антифриз в систему, следует провести испытания на воде и убедиться в отсутствии протечек. Коэффициент поверхностного натяжения у антифризов меньше чем у воды, поэтому он легче проникает в самые маленькие трещины и не плотности.

· В системе отопления с антифризом нельзя использовать элементы с содержанием цинка (оцинкованные трубы). При температурах выше 70?С, цинк начнет отслаиваться и оседать на нагревательных элементах, к тому же ослабит антикоррозийные свойства теплоносителя. Срок службы бытового антифриза зависит от режима его эксплуатации. Следует избегать доведения его до температуры кипения (106 - 116?С). Кстати, этот показатель зависит от соотношения в теплоносителе воды и антифриза. При нагреве теплоносителя выше 170?С начнет происходить термическое разложение этиленгликоля, выделение газообразных продуктов его сгорания и разрушение антикоррозионных присадок. Что бы этого не произошло, необходимо обеспечить надлежащую циркуляцию теплоносителя. Если в Вашей системе началось газообразование, связанное с пригоранием антифриза, то следует увеличить мощность циркуляционного насоса, либо уменьшить мощность нагревательных элементов.

Антикоррозионные свойства антифриза сохраняются в течение 5-ти лет непрерывной работы (10 отопительных сезонов). Низкозамерзающие свойства могут сохраниться и гораздо дольше, однако антикоррозионные свойства обычно сильно ослабляются или утрачиваются полностью. Для их восстановления следует добавить в теплоноситель соответствующие присадки или полностью обновит его.