4.6.2. Низкотемпературные теплоносители

К низкотемпературным теплоносителям относятся вода и водяной пар, рабочая температура которых не превышает 120... 130 "С, а также воздух. Данные вещества, обладая требуемыми теплофизическими свойствами, являются общедоступными и дешевыми, полностью удовлетворяющими потребности в низкотемпературных теплоносителях. В зависимости от агрегатного состояния теплоносители подразделяются на однофазные и двухфазные.

Однофазные промежуточные теплоносители. К однофазным низкотемпературным теплоносителям относятся вода, находящаяся в жидком состоянии, а также воздух.

Вода в жидком состоянии характеризуется следующими положительными свойствами:

- является энергоемким веществом, теплоемкость которого при 20 °С равна 4 187 Дж/(кг • К);

- стабильное вещество, многократный циклический нагрев которого существенно не влияет на основные теплофизические константы;

- имеет незначительную коррозийную активность (при условии отсутствия каких-либо примесей);

- абсолютно безвредна для человека, доступна и дешева.

Стабильность, безопасность, коррозийная пассивность, доступность и дешевизна воды делают ее основным низкотемпературным теплоносителем.

Эксплуатацию воды как теплоносителя сдерживают и усложняют следующие ее недостатки.

1. В природе вода крайне редко является химически чистой (ближе всего к этому дождевая вода), практически всегда она представляет собой раствор тех или иных веществ. Чаще всего в природной воде растворены соли Са, Mg и другие, которые придают ей жесткость. В результате кипячения воды одна часть солей, определяющих временную жесткость, удаляется из раствора, а другая остается. Последняя определяет постоянную жесткость воды.

2. Выделение солей из воды при нагреве происходит, как правило, на греющих поверхностях теплообменников. В результате на них образуется слой накипи, являющийся дополнительным тепловым сопротивлением. В любом случае этот слой ухудшает теплообмен между источником теплоты и теплоносителем либо между теплоносителем и нагреваемой стенкой рабочей камеры. Образующаяся накипь приводит к перегреву источника теплоты (в электрических — к перегреву спирали) или к уменьшению теплового потока, что эквивалентно соответствующему уменьшению поверхности теплообмена.

Для умягчения воды применяют разные способы, к которым относятся: использование химических добавок; применение для предварительной обработки ионообменных смол; дистилляция; магнитная обработка воды. Использование химических добавок для умягчения воды, как правило, не допускается, особенно при возможном контакте воды с пищевыми продуктами.

Обработка воды в ионообменных колонках дает хорошие результаты, но довольно трудоемка и дорога. По этой причине данный способ оказывается экономически целесообразным в том случае, когда расход потребляемой воды значителен, например при подготовке воды для подпитки системы пароснабжения.

Дистилляция применяется довольно часто, но в тех случаях, когда количество воды незначительно. Сам процесс приготовления дистиллята связан с необходимостью использования специального оборудования.

Магнитная обработка воды заключается в пропускании потока воды через чередующиеся зоны сильного воздействия постоянного магнитного поля. При этом в результате структурных изменений ионов солей, находящихся в растворе, происходит их выпадение из раствора при температурах более низких, чем обычно, в результате чего соли накапливаются в отстойниках теплообменников в виде шлама и не оказывают существенного влияния на работу теплообменника. Необходимо отметить, что хотя и зафиксирован определенный положительный эффект воздействия магнитного поля на воду в целях ее умягчения, но механизм действия хорошо не изучен и проявляется не во всех случаях одинаково. Эффективность этого способа во многом зависит от свойств обрабатываемой воды.

Как правило, процесс нагрева однофазного теплоносителя — изобарный, который происходит при атмосферном или сравнительно небольшом избыточном давлении до 300 кПа (2 ати).

Ограничителем температуры нагрева стенки рабочей камеры служит температура кипения (насыщения) воды.

Естественно, что, обладая большой удельной теплоемкостью и большой плотностью, вода требует и значительного дополнительного количества теплоты для собственного разогрева, что неизбежно приводит к снижению КПД, увеличению продолжительности разогрева и, как следствие, к возрастанию тепловой инерции аппарата и затрудняет управление процессом нагрева.

Обычно вода в большинстве случаев используется в негерметизированных объемах, что значительно упрощает изготовление и эксплуатацию оборудования.

Воздух в качестве теплоносителя применяется для термостатирования пищи или для сушки пищевых продуктов в целях их консервирования.

Воздух представляет собой смесь разных газов, главными из которых являются азот N₂, на долю которого приходится 79 % объема, кислород — 20,9 % объема, а также водяные пары.

Теплоемкость сухого воздуха с_р при нормальном атмосферном давлении и температуре 0 °С составляет 1 000 Дж/(кг • К).

Существенное влияние на термодинамические свойства воздуха оказывает влага, содержащаяся в его составе. Как правило, вода находится в воздухе в виде сухого насыщенного пара, но при определенных значениях давления и температуры она способна переходить в состояние как перегретого пара, так и влажного насыщенного пара. Причем это состояние однозначно определяется парциальным давлением водяных паров в воздухе и его температурой.

Двухфазные низкотемпературные теплоносители. Существенным преимуществом двухфазных теплоносителей по сравнению с однофазными является сравнительно малая плотность водяных паров и, как следствие, низкая тепловая инерция тепловых аппаратов при их использовании.

Основным низкотемпературным двухфазным теплоносителем является влажный водяной пар, образующийся при кипении воды и характеризующийся одновременным существованием двух фаз воды: кипящей жидкости и сухого насыщенного пара.

Физически влажный насыщенный пар обычно образует следующие системы:

- в нижней части емкости находится кипящая жидкость, а над ее поверхностью — сухой насыщенный пар. Такое распределение фаз обычно имеет место в транспортной зоне, где нет теплообмена с окружающей средой;

- то же, но внутри слоя кипящей жидкости образуются и движутся пузырьки сухого насыщенного пара. Этот случай характерен для зоны нагрева теплоносителя;

- в среде сухого насыщенного пара распределены мельчайшие капельки конденсата (кипящейжидкости), т.е. туман; этот случай возникает при нагреве газов сухим насыщенным паром;

- в среде сухого насыщенного пара в зоне контакта с холодной поверхностью имеется конденсатная пленка или образуются капли конденсата; такое распределение фаз во влажном насыщенном паре имеет место в зоне теплопередающей поверхности теплообменника, разделяющей греющий пар и нагреваемую среду.

В реальных условиях все указанные выше системы существуют одновременно, но в большей или меньшей степени, и при анализе условий выбирают преобладающую систему теплообмена.

Использование двухфазного теплоносителя связано с тремя основными процессами: нагревом теплоносителя в целях передачи ему энергии; транспортированием теплоносителя; передачей теплоносителем теплоты нагреваемой среде и его охлаждением.