Теплоносители систем термостатирования

Во многих случаях вопрос о выборе ТН для СТ не возникает, так как вид ТН определяется конструкцией термостатируемого изделия, совместимостью материалов, пожароопасностью и т.п. Очевидно, что для термостатирования крупных объектов типа ракеты или её ступеней и отсеков годятся только воздух и азот. В тех случаях, когда выбор возможен, рассматривается совокупность всех факторов и требований.

При выборе ТН учитываются теплофизические и эксплуатационные свойства, в первую очередь те, которые определяют высокий коэффициент теплоотдачи: плотность, теплоемкость, теплопроводность и вязкость. Теплоносители с большей плотностью р и теплоёмкостью ср позволяют отводить большее количество теплоты при относительно низких перепадах температур и одинаковых расходах. Например, для воды ρ = 1000 кг/м³ и с_р = 4,212 кДж/кг К, а для воздуха ρ = 1,293 кг/м³ и с_р = 1,005 кДж/кг К. При одинаковых массовых расходах и температурных напорах теплосъём водой будет в 4,19 раза выше. Однако невысокие значения теплоёмкости и плотности воздуха могут компенсироваться увеличением разности температур двух сред, т.е. температурного напора, и использованием холодного воздуха и азота как эффективных средств охлаждения углеводородных компонентов ракетных топлив и НДМГ.

Чем больше коэффициент теплопроводности λ ТН, тем больше коэффициент теплоотдачи α.

Температура кипения ТН должна быть достаточно высокой при небольшом давлении насыщенных паров, так как при течении в теплообменных каналах, особенно в зонах пониженного давления, вскипание теплоносителя приведет к образованию двухфазной среды (жидкость + пар) и снижению теплоотдачи. Такие явления наблюдались при эксплуатации антифризов А-40 и особенно А-65.

Прокачка теплоносителей с высокой вязкостью требует больших энергетических затрат и в определенных условиях этот недостаток может сыграть решающую роль для замены одного ТН на другой.

Теплоносители должны иметь удовлетворительные эксплуатационные свойства: быть нетоксичными, иметь низкую летучесть, быть пожаро-взрывобезопасными, не образовывать взрывчатых смесей при соединении с другими средами, химическую! стабильность, не вызывать коррозию металлов и эрозивные повреждения на обтекаемых поверхностях, иметь невысокую стоимость, не вызывать проблем с хранением и транспортировкой, как в ёмкостях, так и по трубопроводам, быть экологически чистыми, j

Нашли применение следующие ТН: воздух, вода, водные] растворы органических веществ-этиленгликоли (антифризы -40 и -65), этанол (метиловый и этиловый спирты), глицерин, водные растворы солей СаСl₂ и NaCl, называемые рассолами, имеющие температуру замерзания от 0°С до -55°С, хладагенты R11 и R30, имеющие температуру кипения выше температуры окружающей среды и силоксановые жидкости (ПМС-5 и ПМС-6).

Воздух как теплоноситель имеет ряд положительных качеств: доступен, дёшев, нетоксичен, неагрессивен, может использоваться в широком диапазоне температур, позволяет реализовать как замкнутые, так и разомкнутые контуры термостатирования ОТ. Для исключения коррозии за счёт попадания влаги из воздуха воздуховоды стационарных систем, особенно расположенные на открытом воздухе, необходимо изготавливать из тонких листов нержавеющей стали.

К недостаткам воздуха относятся: низкие значения плотности, теплоёмкости, теплопроводности, снижающие теплообмен с обтекаемой поверхности, а также необходимость предварительной осушки.

Вода (котельный конденсат) также имеет положительные качества: доступная, дешёвая, нетоксичная, может использоваться как для обогрева, так и охлаждения ОТ. Однако длительное использование воды при хранении и при слабых течениях может оказаться невозможным из-за роста в ней микрофлоры, которая способна засорять каналы её циркуляции при термостатировании и существенно снижать теплообмен.

Антифризы часто используются как примежуточныв теплоносители в аккумуляторах холода для намораживания водного льда для съёма теплоты с работающих приборов и для обогрева приборов в зимних условиях. К недостаткам антифризов следует отнести повышенную летучесть, испаряемость с образованием двухфазных потоков. Для обеспечения подачи антифризов как центробежными, так и поршневыми насосами в контурах циркуляции должны быть установлены сепараторы паров.

Рассолы на основе 28% водного раствора СаСl₂ при температурах примерно до -10°С используются для охлаждения высококипящих горючих КТ. Для охлаждения КТ до более низких температур, например, до -30°С... -40°С рассол оказывается практически непригодным, так как при его охлаждении вязкость возрастает в 4 раза, а теплоёмкость и теплопроводность снижаются, что приводит к увеличению гидравлического сопротивления коммуникаций, энергозатрат насосных установок и ухудшению теплообмена. Кроме того, даже при добавлении к рассолу специальных ингибиторов он всё же оказывает коррозионное действие на металлы.

Хладагенты R11 и R30 имеют нормальную температуру кипения и в окружающей среде, т.е. при атмосферном давлении не вскипают. Температуры кипения и замерзания у них соответственно составляют +23,6°С, +40°С и -111,0°С, -97°С. Основным преимуществом перед рассолами является в 30 раз более низкая вязкость. Отсюда и большая возможность применения для глубокого охлаждения НДМГ и РГ-1. Недостатком хладагентов R11 и R30 является высокое содержание в них атомов хлора и в экологическом отношении они являются грязными продуктами.

В качестве ТН могут использоваться широко применяемые в холодильных машинах фреоны R12 и R22, имеющие температуры кипения при атмосферном давлении соответственно -29,74°С, -40,8°С и температуры замерзания -155,9°С, -160°С. Это возможно в двух случаях: а) если охлаждаемый прибор, как ОТ, может быть использован в качестве испарителя холодильной машины; б) если жидкий фреон охлаждает тепловыделяющий прибор за счёт испарения. В этом случае отпадает необходимость применения промежуточного ТН и конструкция СТ упрощается.

Силоксановые жидкости (ПМС-5 и ПМС-6) относятся к синтетическим смазывающим жидкостям с пониженной коррозионной активностью и характеризуются следующими теплофизическими свойствами:

рабочий диапазон температур, °С -65... +300;

плотность, кг/м³ 910... 980;

удельная теплоёмкость. Дж/кг К 1630;

теплопроводность. Вт/м К 0,167;

кинематическая вязкость ν*10~6, м²/с 4,5... 6,6.

Недостатком их считается низкая удельная теплоёмкость - в 3 раза меньшая, чем у воды. Следовательно, для съёма одного и того же количества теплоты расход силоксановоЙ жидкости должен быть в 3 раза больше расхода воды.

Принципы получения холода

Различают охлаждение умеренное и глубокое. Под умеренным охлаждением понимается получение более низких температур объекта, чем температура окружающей среды. Нижней границей умеренного охлаждения принята температура - 120°С, достигаемая в холодильном цикле с этиленом в качестве переносчика холода. Охлаждение до более низких температур называется глубоким и применяется в криогенной технике при охлаждении и терморегулировании криопродуктов: гелия, кислорода, азота, водорода и некоторых других сжиженных газов.

Умеренные низкие температуры можно получить с помощью следующих физических явлений:

1) фазовых переходов;

2) дросселирования реального газа (эффект Джоуля-Томсона);

3) изоэнтропного (или близкого к нему процесса) расширения газа с совершением внешней работы;

4) вихревого эффекта (эффекта Ранка —Хилша);

5) термоэлектрического эффекта (эффекта Пельтье).

Низкие температуры в условиях глубокого холода получаются в основном с помощью фазовых переходов (при испарении криопродуктов) и дросселирования. Для получения сверхнизких температур вблизи абсолютного нуля используется адиабатное размагничивание твердого тела, термомагнитное охлаждение и десорбционное охлаждение. Путем десорбции газов из растворов или из пористых твердых тел можно получать также и умеренные температуры.

В парокомпрессионных холодильных машинах (ПКХМ) используется дросселирование с последующим фазовым переходом -испарением фреона в теплообменном аппарате. Здесь фреон является переносчиком теплоты с низшего температурного уровня на высший - от объекта охлаждения к наружному воздуху. Он испаряется при низкой температуре и низком давлении и конденсируется при высокой температуре и высоком давлении.

В газовых холодильных машинах реализуется изоэнтропное расширение газа с совершением внешней работы в поршневых и турбодетандерах.

В термоэлектрических охлаждающих устройствах используется эффект Пельтье.

Рассмотрим кратко перечисленные эффекты.