Теплоносители

В качестве теплоносителей в системах отопления используют воду, пар, воздух, дымовые газы. В последнее время в небольших системах отопления стали применять специальные жидкости, анти­фризы.Каждое из перечисленных веществ обладает определенными фи­зическими свойствами и эксплуатационными характеристиками, ре­ализуемыми в конкретных видах систем отопления.Важнейшими физическими свойствами теплоносителей являют­ся теплоемкость (массовая), теплопроводность, плотность (объем­ная масса). Эксплуатационными характеристиками теплоносителей являются стоимость, недефицитность, безвредность, а также неагрессивность по отношению к материалам конструкций.Рассмотрим характеристики перечисленных теплоносителей.Вода обладает наибольшей массовой теплоемкостью с=4,19 кДж/(кг • К). Это дает возможность транспортировать и аккумули­ровать значительное количество теплоты в единице ее массы. Теп­лопроводность воды весьма велика, что позволяет создавать эффек­тивные теплообменные аппараты. Однако вода, попавшая в поры строительных и, в частности, изоляционных материалов, резко уху­дшает их теплозащитные свойства. Плотность воды зависит от температуры и практически несжимаема. Один кубический метр воды при температуре 70 °С имеет массу 977,81 кг, а при тем­пературе 95 °С — 961,92 кг.

В связи с изменением плотности воды, вызываемым повышени­ем или понижением ее температуры, в системах водяного отопления устанавливаются специальные расширительные баки.Стоимость воды в большинстве районов страны низка. Однако следует иметь в виду, что вода может содержать примеси (соли жесткости, кислород, азот), удаление которых требует дополнитель­ных капиталовложений.Присутствие растворенных в воде солей жесткости приводит к зарастанию живого сечения теплообменных аппаратов и трубо­проводов.Важной эксплуатационной характеристикой воды как теплоноси­теля является ее способность из жидкого состояния переходить в твердое или парообразное. При температуре ниже О °С вода замерзает, при этом объем льда превышает объем первоначальной массы воды. Это обстоятельство следует учитывать при остановке циркуляции воды в системах (в период отрицательных наружных температур) во избежание их механического разрушения. Вода на­чинает кипеть при температуре, зависящей от давления. Так, вода закипает при 100 °С. когда давление близко к 0,1 МПа. Если тем­пературу воды надо поднять выше 100 °С, например до 150 °С, то давление надо повысить до 0,5 МПа.Водяной пар есть продукт кипения воды. Различают пар насы­щенный (влажный) и перегретый (сухой). Содержание теплоты в 1 кг насыщенного пара больше, чем в 1 кг воды на количество скрытой теплоты парообразования, зависящей от давления пара. Например, при давлении 0,1 МПа скрытая теплота парообразования 1 кг насыщенного пара составляет г=2242 кДж/кг. Если насыщенному пару продолжать сообщать теплоту, то он превращается в перегре­тый пар. В паровых системах отопления обычно используют насы­щенный пар, так как он при охлаждении, конденсируясь, отдает скрытую теплоту парообразования, значительно превосходящую теплоту перегрева пара. Эффективность передачи теплоты от пара к стенке в процессе конденсации очень высока, что позволяет делать паровые теплообменники компактными.В отличие от воды плотность водяного пара сильно зависит от давления, под которым он находится. С увеличением давления плотность пара увеличивается. При одинаковом давлении и тем­пературе плотность водяного пара меньше, чем плотность воды и воздуха.Стоимость водяного пара как теплоносителя несколько выше, чем стоимость воды, используемой в водяных системах отопле­ния, так как получение пара требует более дорогостоящего обору­дования, а также соблюдения специальных мер по сохранению и возврату конденсата. Использование отработанного пара от тех­нологического оборудования дает значительный экономический эффект.Следует иметь в виду, что пары воды при конденсации сохраня­ют неизменность температуры (при постоянном давлении), что делает практически невозможным регулирование теплопроизводительности отопительных приборов путем уменьшения подачи в них насыщенного пара.Воздух имеет очень низкую массовую теплоемкость с_р = = 1,0 кДжДкг К), что определяет необходимость подачи весьма большого количества воздуха для отопления помещений.
Теплопроводность воздуха также очень низка, поэтому для повышения теплотехнических показателей строительных констру­кций в них устраивают воздушные прослойки. Низкая теплопро­водность воздуха является причиной относительно невысокой эф­фективности теплообмена поверхностей в теплообменной аппара­туре, особенно при естественной конвекции. Плотность (массовая) воздуха невелика, однако больше, чем плотность водяного пара. В обычных условиях, при неизменном барометрическом давлении и постоянном влагосодержании, плотность воздуха (р) зависит от температуры. Например, при барометрическом давлении Р_б= = 1013,3 гПа и влагосодержании с =2,0 г/кг при 5 °С плотность воздуха составляет /> = 1,27 кг/м³, а при 20 °С /7=1,205 кг/м³. При увеличении влагосодержания воздуха его плотность умень­шается, однако настолько незначительно, что этим обстоятель­ством обычно пренебрегают.Стоимости воздух не имеет, однако в случае его запыленности приходится устраивать специальные обеспыливающие установки (фильтры), что удорожает воздушное отопление.Дымовые газы (газообразные продукты сгорания), использу­емые в качестве теплоносителей, по характеристикам близки к воз­духу. Однако имеются некоторые отличия. Например, теплоотдача от дымовых газов к теплообменным поверхностям несколько выше за счет большей излучательной способности продуктов сгорания. Как правило, в дымовых газах содержатся вредные для здоровья примеси. При наличии в них сернистых соединений долговечность теплообменной аппаратуры и воздуховодов резко сокращается. Следует иметь в виду, что при охлаждении дымовых газов ниже температуры точки росы возможно выпадение конденсата. В зимнее время это приводит не только к отсыреванию конструкций, но и к образованию наледей, особенно в местах выбросных труб и шахт.Антифризы представляют собой 50 — 60%-ный водный рас­твор технического этиленгликоля (двухатомного спирта). Они ядо­виты и весьма коррозионно-активны по отношению к стали. Анти­фризы не замерзают при отрицательных температурах (до —40 °С), что делает их перспективными для использования в системах отоп­ления периодического действия.Плотность антифриза меньше, чем плотность воды, однако уве­личение его объема при нагревании значительно больше, что следует учитывать при эксплуатации систем, заполненных антифризом.Из-за высокой стоимости и дефицитности антифризы широкого применения в системах отопления не нашли.