Основы создания и выбора хладоносителей с оптимальными свойствами для систем косвенного охлаждения
УДК 536
Основы создания и выбора хладоносителей с оптимальными свойствами для систем косвенного
охлаждения
К.х.н. Кириллов В.В., аспирант Сивачёв А.Е. Talrush@mail.ru
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
Основана и сформулирована концепция системного научно подхода к выбору хладоносителей, базирующаяся на использовании межчастичных взаимодействий в растворах и построении математических моделей, связывающих факторы и параметры оптимизации. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что по комплексу физико-химических, теплофизических и эксплуатационных свойств (вязкости, температура замерзания, коррозионной активности, коэффициент теплооотдачи) разработанные электролитсодержащие ВПГ хладоносители превосходят ныне используемые ВПГ хладоносители, не содержащие электролит.
Ключевые слова: хладоноситель, электролит, водно-пропиленгликолевый растворитель, математическая модель, коррозионная активность.
Холод широко используется во многих отраслях промышленности, на транспорте, в научных исследованиях и в быту. В настоящее время на российских предприятиях для создания искусственного холода широко используются аммиачные холодильные установки (ХУ). Но, так как аммиак токсичен, образует взрывоопасные смеси с воздухом, предприятия стремятся максимально снижать аммиакоёмкость ХУ.
Один из основных путей снижения аммиакоёмкости – это создание систем косвенного охлаждения, при которых перенос тепла от охлаждаемого объёкта к хладагенту холодильной машины (ХМ) осуществляется посредствам промежуточной среды – хладоносителя (ХН).
ХУ с промежуточным ХН требуют дополнительных финансовых и энергетических затрат на создание контура циркуляции. Эти затраты можно существенно уменьшить за счёт оптимального выбора хладоносителя с наилучшей со-
1
вокупностью теплофизических, физико-химических и эксплуатационных свойств.
Практика и анализ литературных данных показывают, что для широкого использования в качестве поставщика холода температура замерзания промежуточного ХН должна быть не выше − 30 ÷ −400C , при этом нижний придел фактически не ограничен. По нашей оценке при t = −200C ХН с наилучшими свойствами должен иметь: динамическую вязкость не более 20 − 22мПа * с , теплоёмкость не менее 2850 Дж /(кг * К ) ; теплопроводность не менее
0,280Вт /(м * К ) [4]. В качестве хладоносителя используются, как правило, водные растворы
неорганических и органических солей и спиртов. Развитие науки, тенденции к повышению эффективности систем хладоснабжения привели к необходимости использования растворов электролитов в смешанных растворителях, в частности, водно-пропиленгликолевых (ВПГ) растворителях [2,3]. Эти системы характеризуются широким набором разнообразных свойств, связанных с различным характером внутри- и межмолекулярных взаимодействий, в частности, процессов ассоциации, комплексообразования, сольватации.
Научно-техническую проблему выбора ХН во многих научнопроизводственных центрах как у нас в стране, так и за рубежом пытаются решить эмпирически – путём выбора рецептур, предположительно способных обеспечить раствору хладоносителя комплекс свойств по указанным параметрам. Цель настоящей работы – обобщить исследования, проведённые по оптимизации свойств ХН для контуров промежуточного охлаждения, по снижению энергетических затрат на их эксплуатацию и наметить пути создания системного подхода к выбору хладоносителей. Разработка теории выбора ХН с комплексом оптимальных свойств, основанная на учёте взаимодействия между компонентами раствора, на использовании математико-аналитических методов, призвана решить важную для народного хозяйства научно-техническую проблему по повышению эффективности работы систем хладоснабжения.
Основные физико-химические свойства хладоносителя – вязкость, температура замерзания, водородный показатель pH, способность оказывать коррозирующее действие – так называемые вторичные свойства обусловлены его составом, уровнем ассоциации и сольватации молекул и наличием активных функциональных групп, т.е. его так называемыми первичными свойствами, вытекающими из природы ХН и его строения. Если направленно, с учётом известных (и предполагаемых) закономерностей воздействовать на хладоноситель
2
так, чтобы изменить определённым образом его первичные свойства, то соответствующим образом, в нужном направлении, в соответствии с закономерностями физической химии растворов изменятся и его вторичные свойства, те, которые в целом и предопределяют эффективность использования ХН.
Такое воздействие может быть осуществлено с помощью одного или нескольких компонентов, причём они не должны отрицательно влиять на другие свойства хладоносителя (токсичность, устойчивость, стоимость). Выбор компонентов, их влияние на первичные свойства, изменения в нужном направлении вторичных свойств ХН должны оставаться на функциональных зависимостях (качественных и количественных) одних свойств от других. Такой подход, как показали теоретические и экспериментальные исследования, целесообразно применять на растворах электролитов в смешанном ВПГ растворителе.
Варьируя с помощью метода планирования эксперимента качественный и количественный состав хладоносителя с учётом закономерностей комплексообразования и сольватации в растворах, можно получить композиции с улучшенными прогнозируемыми свойствами по вязкости и температуре замерзания, по способности оказывать коррозионное действие.
Вязкость, важная характеристика ХН, определяющая эффективность его использования, особенно при низких температурах. Проведённые нами исследования позволили научно обосновать и экспериментально подтвердить связь между характером изменения вязкости водно-пропиленгликолевых растворов и природой электролитов. В частности, установлено, что определяющим фактором является тип гидратации ионов электролитов, который количественно выражается посредством В-коэффициентов, принимающих положительные или отрицательные значения:
- если µ / µ0
Основы создания и выбора хладоносителей с оптимальными свойствами для систем косвенного
охлаждения
К.х.н. Кириллов В.В., аспирант Сивачёв А.Е. Talrush@mail.ru
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
Основана и сформулирована концепция системного научно подхода к выбору хладоносителей, базирующаяся на использовании межчастичных взаимодействий в растворах и построении математических моделей, связывающих факторы и параметры оптимизации. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что по комплексу физико-химических, теплофизических и эксплуатационных свойств (вязкости, температура замерзания, коррозионной активности, коэффициент теплооотдачи) разработанные электролитсодержащие ВПГ хладоносители превосходят ныне используемые ВПГ хладоносители, не содержащие электролит.
Ключевые слова: хладоноситель, электролит, водно-пропиленгликолевый растворитель, математическая модель, коррозионная активность.
Холод широко используется во многих отраслях промышленности, на транспорте, в научных исследованиях и в быту. В настоящее время на российских предприятиях для создания искусственного холода широко используются аммиачные холодильные установки (ХУ). Но, так как аммиак токсичен, образует взрывоопасные смеси с воздухом, предприятия стремятся максимально снижать аммиакоёмкость ХУ.
Один из основных путей снижения аммиакоёмкости – это создание систем косвенного охлаждения, при которых перенос тепла от охлаждаемого объёкта к хладагенту холодильной машины (ХМ) осуществляется посредствам промежуточной среды – хладоносителя (ХН).
ХУ с промежуточным ХН требуют дополнительных финансовых и энергетических затрат на создание контура циркуляции. Эти затраты можно существенно уменьшить за счёт оптимального выбора хладоносителя с наилучшей со-
1
вокупностью теплофизических, физико-химических и эксплуатационных свойств.
Практика и анализ литературных данных показывают, что для широкого использования в качестве поставщика холода температура замерзания промежуточного ХН должна быть не выше − 30 ÷ −400C , при этом нижний придел фактически не ограничен. По нашей оценке при t = −200C ХН с наилучшими свойствами должен иметь: динамическую вязкость не более 20 − 22мПа * с , теплоёмкость не менее 2850 Дж /(кг * К ) ; теплопроводность не менее
0,280Вт /(м * К ) [4]. В качестве хладоносителя используются, как правило, водные растворы
неорганических и органических солей и спиртов. Развитие науки, тенденции к повышению эффективности систем хладоснабжения привели к необходимости использования растворов электролитов в смешанных растворителях, в частности, водно-пропиленгликолевых (ВПГ) растворителях [2,3]. Эти системы характеризуются широким набором разнообразных свойств, связанных с различным характером внутри- и межмолекулярных взаимодействий, в частности, процессов ассоциации, комплексообразования, сольватации.
Научно-техническую проблему выбора ХН во многих научнопроизводственных центрах как у нас в стране, так и за рубежом пытаются решить эмпирически – путём выбора рецептур, предположительно способных обеспечить раствору хладоносителя комплекс свойств по указанным параметрам. Цель настоящей работы – обобщить исследования, проведённые по оптимизации свойств ХН для контуров промежуточного охлаждения, по снижению энергетических затрат на их эксплуатацию и наметить пути создания системного подхода к выбору хладоносителей. Разработка теории выбора ХН с комплексом оптимальных свойств, основанная на учёте взаимодействия между компонентами раствора, на использовании математико-аналитических методов, призвана решить важную для народного хозяйства научно-техническую проблему по повышению эффективности работы систем хладоснабжения.
Основные физико-химические свойства хладоносителя – вязкость, температура замерзания, водородный показатель pH, способность оказывать коррозирующее действие – так называемые вторичные свойства обусловлены его составом, уровнем ассоциации и сольватации молекул и наличием активных функциональных групп, т.е. его так называемыми первичными свойствами, вытекающими из природы ХН и его строения. Если направленно, с учётом известных (и предполагаемых) закономерностей воздействовать на хладоноситель
2
так, чтобы изменить определённым образом его первичные свойства, то соответствующим образом, в нужном направлении, в соответствии с закономерностями физической химии растворов изменятся и его вторичные свойства, те, которые в целом и предопределяют эффективность использования ХН.
Такое воздействие может быть осуществлено с помощью одного или нескольких компонентов, причём они не должны отрицательно влиять на другие свойства хладоносителя (токсичность, устойчивость, стоимость). Выбор компонентов, их влияние на первичные свойства, изменения в нужном направлении вторичных свойств ХН должны оставаться на функциональных зависимостях (качественных и количественных) одних свойств от других. Такой подход, как показали теоретические и экспериментальные исследования, целесообразно применять на растворах электролитов в смешанном ВПГ растворителе.
Варьируя с помощью метода планирования эксперимента качественный и количественный состав хладоносителя с учётом закономерностей комплексообразования и сольватации в растворах, можно получить композиции с улучшенными прогнозируемыми свойствами по вязкости и температуре замерзания, по способности оказывать коррозионное действие.
Вязкость, важная характеристика ХН, определяющая эффективность его использования, особенно при низких температурах. Проведённые нами исследования позволили научно обосновать и экспериментально подтвердить связь между характером изменения вязкости водно-пропиленгликолевых растворов и природой электролитов. В частности, установлено, что определяющим фактором является тип гидратации ионов электролитов, который количественно выражается посредством В-коэффициентов, принимающих положительные или отрицательные значения:
- если µ / µ0