Теплоносители (хладоносители) на основе гликолей

Общие сведения

Теплоносители (хладоносители) являются промежуточным телом, с помощью которого осуществляется перенос тепла от воздуха охлаждаемого помещения к холодильному агенту. Хладоносителем может служить вода, водные растворы солей или жидкости с низкой температурой замерзания - антифризы и т. д. Их применяют там, где непосредственное охлаждение нежелательно или не представляется возможным.

При температурах теплоносителя ниже точки замерзания воды, а также в целях предотвращения замерзания теплоносителя в трубопроводах при низких температурах окружающей среды, в качестве теплоносителей используют различные растворы и смеси с низкой температурой замерзания.

Распространенными хладоносителями являются хлористый натрий (NaCl), соли хлористого кальция (CaCl₂), водные растворы гликолей. В связи с высокой коррозионной активностью солевых растворов, расходы на ремонт оборудования могут многократно превысить прямые затраты, поэтому в последнее время все более широкое применение находят растворы многоатомных спиртов, в том числе пропиленгликоля (ПГ), этиленгликоля, глицерина, что особенно характерно для систем центрального кондиционирования.

Гликоли - бесцветные сладковатые и высоко вязкие жидкости с точкой замерзания ниже -50С. Различают два главных типа гликолей:

• пропиленгликоль - С₃Н₆ (ОH)₂, благодаря нетоксичности находит также применение в пищевой промышленности (в качестве пищевых добавок).
• этиленгликоль, C₂H₄(ОН)₂, в основном, используется там, где его утечка не будет опасной для людей, животных и продовольственных товаров. Он значительно дешевле пропиленгликоля и потери на трение - намного ниже при низких температурах, чем для пропиленгликоля.

При проектировании систем с гликолевыми теплоносителями следует учитывать их физико - химические особенности.

Особенности применения растворов гликолей

Водные растворы этиленгликоля и пропиленгликоля имеют отличные от воды теплофизические свойства - теплоемкость, плотность, теплопроводность, химическая активность и т.п., которые должны быть учтены при подборе оборудования, гидравлическом расчете систем холодоснабжения.

Как пропилен гликоль, так и этилен гликоль имеют молекулярный размер меньший, чем у чистой воды. Это свойство может привести к образованию утечек в уплотнениях (особенно при низких температурах теплоносителя и высоких концентрациях гликоля) и требует более внимательного подхода к выбору насосного оборудования и его размещению. В ряде случаев стандартные насосы рассчитаны на максимальное содержание гликоля 30-40%, более высокие концентрации требуют замены стандартных уплотнений на специальные. По возможности насосы следует размещать в частях системы с более высокой температурой теплоносителя.

Не рекомендуется применять трубы из оцинкованной стали в системах с гликолевыми теплоносителями.

Расчет концентрации раствора

Для низкотемпературных систем, при температуре теплоносителя ниже +5С, в целях предотвращения замерзания теплоносителя в испарителе холодильной машины требуется применять раствор гликолей. Рекомендуемые массовые (!) концентрации растворов этиленгликоля и пропиленгликоля для различных температур теплоносителя показаны на Рис. 1, 2. При более низких температурах (например, применении растворов гликолей для защиты от замерзания в зимний период) для расчета концентрации следует использовать диаграмму состояния раствора гликоля

Рис. 1

Рис. 2

Подбор оборудования, пересчет основных характеристик

При подборе оборудования необходимо учесть, что основные характеристики холодильного оборудования при использовании растворов гликолей высокой концентрации будут существенно отличаться от рассчитанных при нормальной температуре и воде в качестве теплоносителя. Как правило, точные характеристики холодильной машины с учетом концентрации гликоля и при различных температурах теплоносителя можно пересчитать с помощью программ подбора или таблиц, предоставляемых производителями чиллеров. В качестве примера на Рис. 3 и 4 показано, как изменяются основные показатели холодильной машины (холодопроизводительность, потребляемая мощность компрессора, расчетный расход теплоносителя) в зависимости от концентрации раствора этиленгликоля и пропиленгликоля при температуре теплоносителя +5/+10 °С.

Рис.4

Пересчет гидравлического сопротивления

Так как этиленгликоль и пропиленгликоль обладают высокой вязкостью, как следствие значительно возрастают гидравлические потери на трение в трубопроводах и на преодоление гидравлических сопротивлений. На Рис.5 и 6 приведены поправочные коэффициенты падения давления в зависимости от температуры и концентрации раствора.

Рис.5


Рис.6

Зависимость характеристик насосного оборудования от физических свойств теплоносителя

В качестве примера, рассмотрим подбор насоса при исползовании в системе в качестве теплоносителя раствора этиленгликоля.

Исходные данные:

• требуемый расход теплоносителя в системе = 50 м³/час,
• требуемый напор на сеть = 18,5 м,
• температура жидкости = -15 °С,
• концентрация этиленгликоля = 40% масс.

По диаграмме состояния раствора этиленгликоля по температуре и концентрации определяем динамическую вязкость и плотность раствора:

• динамическая вязкость = 12 мПа х с,
• плотность = 1070 кг/м³.

Находим кинематическую вязкость раствора:

• кинематическая вязкость = динамическая вязкость/плотность = 11,2 мм²/с

Исходя из расчетных расхода и напора насоса и рассчитанной кинематической вязкости по номограмме пересчета характеристик центробежных насосов определяем требуемый напор насоса по стандартным характеристикам, коэффициент напора равен 1,02., т.е. для обеспечения расхода 50 м³/час и перепада давлений теплоносителя 18,5м необходимо выбрать насос с напором по стандартной характеристике = 18,87 м. Этому условию соответствует насос LME 80-125/133 фирмы Grundfos. По номограмме пересчета характеристик центробежных насосов уточняем поправочный коэффициент потребляемой мощности насоса, он равен 1,1, т.е. фактическая мощность = попр.коэфф. х плотность х мощность по стандартной характеристике = 1,1 х 1,07 х 3,6 = 4,24 кВт.