Теплоноситель: что это такое

В быту можно часто услышать выражения вроде «вода замерзла в батареях», и сразу понятно, что речь идет об аварии системы отопления. Вместе с тем специалисты в этой области используют более общий и одновременно точный термин «теплоноситель». Что под ним подразумевается и какие характеристики необходимо учитывать при его выборе?

Теплоноситель: определение понятия

Под данным термином подразумевается любое вещество (жидкое и газообразное), используемое для передачи и распределения тепловой энергии. Это происходит двумя способами:

  • через механизм теплопередачи, когда тепло от более нагретых частей рабочей среды передается менее нагретым за счет хаотичного движения молекул до выравнивания температуры;
  • путем перемещения теплоносителя по контуру за счет естественной конвекции или принудительной циркуляции, обеспечиваемой специальными механизмами (насосами, помпами и т. д.).

Теплоносителем может стать и твердое тело, но в этом случае не задействуется второй механизм, из-за чего эффективность теплопередачи будет низкой. Поэтому на практике применяются только жидкие и газообразные рабочие среды – в частности:

  • вода и водяной пар;
  • расплавы некоторых металлов (натрия, калия, свинца и т. д.);
  • жидкий и газообразный азот;
  • нефтяные масла;
  • растворы некоторых спиртов (глицерина, этиленгликоля, пропиленгликоля).

Применение теплоносителей

Несмотря на то, что слово «тепло» ассоциируется в первую очередь с высокой температурой, теплоносители используются как для нагрева, так и для охлаждения. Они применяются в следующих областях:

  • системах отопления жилых, производственных, административных, общественных и других зданий;
  • кондиционерах, используемых для охлаждения помещений;
  • холодильных установках, применяющихся для хранения скоропортящейся продукции.

Если теплоноситель применяется для отведения избыточного тепла от какого-либо объекта, то он называется хладагентом. Некоторые вещества могут выполнять сразу обе этих функции в зависимости от условий использования (например, в многорежимных кондиционерах).

Физико-химические характеристики теплоносителя

Удельная теплоемкость. Это физическая величина, отражающее количество теплоты, необходимое для нагрева единичной массы теплоносителя на 1 единицу. Иными словами, удельная теплоемкость отображает, сколько тепла может накопить в себе вещество. Чем выше эта характеристика, тем более эффективным является теплоноситель.

Теплопроводность. Это свойство физического тела передавать тепловую энергию от более нагретых частей к менее нагретым за счет взаимодействия частиц. Количественно данный параметр характеризуется через коэффициент теплопроводности – чем он выше, тем больше тепла передаст теплоноситель за единицу времени.

Плотность. Это отношение массы вещества к единице объема. Оно характеризует, какое количество молекул или атомов теплоносителя содержится в пространстве отопительного/охладительного контура. Это непосредственно влияет на теплопроводность – чем выше плотность вещества, тем ближе друг к другу расположены его частицы и быстрее осуществляется передача тепловой энергии.

Коэффициент теплового расширения. Эта характеристика отражает степень увеличения объема теплоносителя при изменении температуры на 1 единицу. Тепловое расширение необходимо учитывать, так как расширяющаяся рабочая среды может вызвать повреждение трубопровода отопительной системы.

Температура замерзания. Она определяет, при скольких градусах теплоноситель превращается в твердое тело. Для некоторых веществ (например, растворов гликолей) различают температуру начала кристаллизации и полного отвердевания, так как этот процесс у них происходит не сразу. От данной характеристики зависит, в каких климатических условиях может применяться теплоноситель.

Температура кристаллизации. Это показатель, демонстрирующий основное свойство теплоносителей. В процессе кристаллизации теплоноситель становится менее текучем, в нем начинаю появляться кристаллики льда. У обычной воды процесс начинается уже при нуле градусов. Растворы, содержащие гликоль, выдерживают температуру до -30 °С.

Температура кипения. Эта характеристика обозначает, при скольких градусах жидкость начинает интенсивно переходить в газообразное состояние. Температура кипения имеет большое значение, так как этот процесс ведет к образованию воздушных пробок и другим аварийным ситуациям в отопительных системах.

Вязкость и текучесть. Это взаимно противоположные характеристики, определяющие способность жидкого теплоносителя перемещаться по отопительному/охладительному контуру, взаимодействовать с движущимися частями насосного оборудования, протекать сквозь соединения и т. д. Высокая вязкость рабочей среды приводит к преждевременному износу насосов, повышенным затратам электроэнергии на ее циркуляцию по системе. Повышенная текучесть обуславливает способность теплоносителя просачиваться через малейшие отверстия.

Химические свойства теплоносителя

Коррозионная (химическая) активность. Это способность теплоносителя реагировать с материалами, из которых изготовлены трубы, соединения и трубопроводная арматура системы. При этом образуются новые соединения (например, ржавчина в металлических трубах), а элементы контура постепенно разрушаются и засоряются, что снижает эффективность теплопередачи и ведет к авариям.

Растворимость в воде. Это способность некоторых веществ образовывать с ней гомогенные (однородные) системы. Водные растворы, как правило, обладают наиболее оптимальными свойствами с точки зрения эффективности и безопасности эксплуатации отопительной системы.

Безопасность и экологичность. Это общая характеристика, определяющая способность вещества негативно воздействовать на организм живых существ и окружающую среду в целом, вызывая их отравление и загрязнение соответственно. От нее зависит, в каких областях может применяться тот или иной вид теплоносителя.

Сравнение наиболее распространенных теплоносителей в системах отопления

Охарактеризуем наиболее распространенные виды теплоносителей, используемых в промышленности, городском и жилищно-коммунальном хозяйстве.

Вода. Наиболее распространенный, дешевый и доступный теплоноситель. Ее преимуществами являются:

  • высокая теплоемкость, теплопередача и текучесть, благодаря чему с ее помощью можно передавать тепловую энергию с минимальными потерями на большие расстояния;
  • абсолютная безопасность для здоровья человека и окружающей среды.

Благодаря этим достоинствам вода и водяной пар используются в централизованных системах отопления городских районов, многоэтажных домов, административных, промышленных, общественных зданий. К ее недостаткам можно отнести:

  • высокую температуру замерзания и низкую точку кипения, большой коэффициент теплового расширения, из-за чего она приводит к авариям тепловых сетей в регионах с холодным климатом;
  • коррозионное воздействие на металлические элементы контура, образование накипи, приводящие к засорению и разрушению отопительной системы.

Растворы гликолей. Представляют собой гомогенные смеси этилен- или пропиленгликоля с водой, обладающие следующими преимуществами:

  • низкой температурой замерзания (до -70 °C) и высокой точкой кипения (до +180 °C) в зависимости от концентрации, что расширяет возможность их применения в регионах с различным климатом;
  • отсутствием коррозионного воздействия на металлические и резиновые элементы отопительного контура;
  • постепенным затвердеванием и незначительным тепловым расширением, предотвращающим повреждение системы отопления при экстремально низких температурах.

К недостаткам гликолевых теплоносителей относятся:

  • токсичность этиленгликоля, ограничивающая или исключающая его использование для отопления жилых и общественных объектов, предприятий пищевой, фармацевтической продукции (у пропиленгликоля данный недостаток отсутствует);
  • пониженная теплоемкость и теплопередача по сравнению с водой, что делает отопление с их помощью менее эффективным при нормальных температурах;
  • более высокая стоимость – этот недостаток компенсируется отсутствием накипи и коррозии, из-за которых водяную систему отопления приходится часто промывать и ремонтировать.

Растворы глицерина. Исторически первый теплоноситель с антифризом, который появился еще в начале прошлого века. Тогда распространению глицериновых теплоносителей способствовали:

  • низкая (до -40 °C) температура кристаллизации и высокая точка кипения (+280 °C), позволявшая использовать глицерин почти во всех климатических поясах;
  • экологичность и безопасность для человека, благодаря чему глицериновые антифризы можно было применять при отоплении жилых зданий, пищевых производств и т. д.

Постепенный отказ от раствора глицерина в пользу гликолевых теплоносителей был обусловлен:

  • разложение глицерина при +80 °C на токсичные и пожароопасные компоненты, а также нерастворимые примеси, засоряющие трубопровод и насосное оборудование;
  • чрезмерная вязкость, осложнявшая циркуляцию теплоносителя (с ней могли справиться только мощные насосы) и вызывавшая преждевременный износ агрегатов.

Сегодня вода и водные растворы гликолей являются основными теплоносителями, используемыми в бытовом, промышленном и городском отоплении. Эти вещества обладают оптимальными характеристиками, делающими их применение не только эффективным, но и относительно недорогим.