Органические теплоносители

Содержание:

Введение…………………………………………………………………………………3

Основная часть………………………………………………………………………….6

Заключение………………………………………………………………………………13

Список использованной литературы………………………………………………...15

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                   2

Введение

  Теплоноситель — жидкое или газообразное вещество, применяемое для передачи тепловой энергии. На практике чаще всего применяют воду (в виде газа или жидкости), глицерин, нефтяные масла, расплавы металлов (Sn, Pb, Na, К), воздух, азот (в том числе жидкий), фреоны и др. Теплоносители - это движущаяся среда, применяемая для передачи теплоты от более нагретого тела к менее нагретому. Теплоносители служат для охлаждения, сушки, термической обработки и т. п. процессов в системах теплоснабжения, отопления, вентиляции, в технологических тепловых и др. устройствах (см. Теплообменник). Наиболее распространённые теплоносители: топочные (дымовые) газы, вода, водяной пар, жидкие металлы (калий, натрий, ртуть), фреоны, аэровзвеси сыпучих материалов и т. д. Теплоносители могут в процессе передачи теплоты изменять своё агрегатное состояние (кипящие жидкости, конденсирующиеся пары) или сохранять его неизменным (некипящие жидкости, перегретые пары, неконденсирующиеся газы). В первом случае температура теплоносителя остаётся неизменной, так как передаётся лишь теплота фазового перехода; во втором случае температура теплоносителя изменяется (понижается или повышается). Особые требования предъявляются к теплоносителям в ядерных реакторах.

  Теплоносители используются в любых приборах, инженерных системах и др., служащих для передачи и распределения тепла, например: системы отопления зданий, холодильник, кондиционер, масляный обогреватель, тепловой пункт, котельная, солнечный коллектор, солнечный водонагреватель и др.

  В настоящее время использование энергетического и минерального потенциала высокотемпературных гидротермальных теплоносителей отличается низкой

                                                                3

эффективностью. Это связано с  повышенной минерализацией теплоносителей, которая составляет от 1,0-2,5 до 20-30 г/кг, а для супер минерализованных теплоносителей - до 100-300 г/кг. Одно из следствий  этого — образование твердых  отложений кремнезема из потока жидкой фазы теплоносителя (гидротермального сепарата) в технологических аппаратах, скважинах, трубопроводах и тепло  оборудовании при производстве энергии  или извлечении химических соединений. Для повышения эффективности  использования теплоносителей необходимо комбинирование производства энергии  на геотермальных                        электрических (ГеоЭС) и теплоэлектрических станциях (ГеоТЭС) с химическим производством по извлечению и утилизации кремнезема, которое сочетается с контролем за скоростью роста твердых отложений.

  Необходимость повышения эффективности использования теплоносителей на основе разработки технологии извлечения кремнезема проявилась на всех высокотемпературных гидротермальных месторождениях мира: в Новой Зеландии, Японии, США, Мексике, Италии, Исландии, Филиппинах и др.. Гидротермальный раствор - новое сырье для производства по получению аморфных кремнеземов. Это требует разработки физико-химических основ технологических процессов извлечения и утилизации кремнезема, изучения связи между характеристиками извлеченного материала, исходного раствора и процесса извлечения.

  В гидротермальный раствор кремний поступает в виде отдельных молекул ортокремниевой кислоты HUSiC (мономерный кремнезем) в результате химического взаимодействия воды с алюмосиликатными минералами пород на глубине при повышенных температуре (250-350 С) и давлении (4,0-16,5 МПа и более). При подъеме

                                                                   4

                                                               

на поверхность в продуктивных скважинах ГеоЭС, ГеоТЭС из-за снижения давления, температуры и разделения на паровую и жидкую фазы раствор становится пересыщенным относительно растворимости аморфного кремнезема, что приводит к нуклеации и полимеризации молекул кремнекислота и образованию коллоидных частиц кремнезема с размерами от 3 до 30 нм (коллоидный кремнезем). Концентрация S1O2 в гидротермальном растворе после выхода на поверхность достигает 500-1000 мг/кг.

  Рост твердых отложений обусловлен неустойчивостью коллоидного кремнезема в узком слое водного потока вблизи поверхности проводящих каналов. Для снижения скорости роста твердых отложений кремнезема в аппаратах, теп-лооборудовании и скважинах обратная закачка (реинжекция) отработанного се-парата в породы гидротермального резервуара проводится при повышенной температуре 140-160°С. Реинжекция нужна для поддержания давления в резервуаре, дебита продуктивных скважин и экологического равновесия в. ходе эксплуатации месторождения. Высокая температура реинжекции существенно снижает мощность ГеоТЭС по выработке электроэнергии, затрудняет прямое использование теплоносителя для получения тепла, а также извлечение химических соединений.

 

 

 

 

                                                                5

Основная часть: Органические теплоносители

 Во всех инженерных системах, применяемых для распределения тепла, используется специальное вещество – теплоноситель (диатермическое масло). Под действием теплоносителя происходит передача тепловой энергии. По такому принципу работают солнечные коллекторы и водонагреватели, холодильные установки, котельные, гелиосистемы (устройства для нагревания и охлаждения воздуха).

 Качественный теплоноситель способен значительно повысить продуктивность работы установки и даже продлить срок ее эксплуатации. Поэтому при выборе данного товара необходимо учитывать ряд характеристик.

 Высокотемпературный теплоноситель должен соответствовать следующим требованиям: - обладать низкой вязкостью при отрицательных температурах;

- иметь достаточный рабочий температурный диапазон;

- быть безопасным в использовании (не токсичным и пожаробезопасным).

Высокотемпературный органический теплоноситель (сокращённо ВОТ) — синтетические  и минеральные масла, стойкие  к высоким температурам. Состоят  из высших диалкилбензолов. Диапазон рабочих температур от −50 до +450 °C.        

  Высокотемпературные органические теплоносители применяются в технологических змеевиках, теплообменных аппаратах, котлах-утилизаторах и термомасляных котлах для производства кровельных материалов и асфальта, битумных и нефтеналивных терминалов, производства пищевых продуктов, в нефтехимии, лесопереработке, производстве лакокрасочных материалов и химволокна.

                                                                6

  Преимущества по сравнению с паром — передача значительного количества тепловой энергии на большие расстояния за короткий промежуток времени. Пар при температуре +300 °C будет иметь давление от 90 бар и выше, что приводит к значительным капитальным и эксплуатационным затратам при высокой степени опасности. При этом физические свойства ВОТ позволяют доставлять тепловую энергию до потребителя при низком рабочем давлении и без значительных затрат на оборудование и его эксплуатацию, поэтому находит все более широкое применение в технологических процессах и энергетике. Применение органических теплоносителей основывается, прежде всего, на использовании ядерных свойств водорода — основного компонента тяжелой и легкой воды. Однако применение воды в качестве теплоносителя и рабочего тела ядерных установок связано с рядом неудобств. Такие органические теплоносители как дифенил, ортометатерфенил, полифенил и т. д. при температурах 300—400° С по отношению к ряду конструкционных материалов менее агрессивны, чем вода и пар при тех же температурах. При температурах 385—445° С в полифинилах не стойки магний, цирконий и его сплавы, а также гафний. Цирконий в этих условиях становится очень хрупким из-за образования гидридов. Увеличение содержания воды в полифинилах приводит к значительному возрастанию скорости коррозии. Движение органического теплоносителя со скоростью 9 м/сек увеличивает лишь скорость коррозии циркония. Коррозионное растрескивание и контактная коррозия в органических теплоносителях не наблюдаются. Скорость коррозии углеродистых, низколегированных нержавеющих сталей и алюминиевых сплавов в полифинилах при температуре 380—445° С не превышает 0,025 мм/год. При температуре 430°С наиболее пригодны для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов аустенитная нержавеющая сталь, алюминий типа САП, содержащий до 10% окиси алюминия, и бериллий. В качестве основного

                                                                7

конструкционного материала для  органических теплоносителей может  быть рекомендована углеродистая или  низколегированная сталь. Это объясняется  тем, что в высокотемпературном  контуре, заполненном органическим теплоносителем, углеродистая сталь  коррозии фактически не подвергается. Если принять соответствующие меры, то можно избежать и отложения  продуктов полимеризации на теплопередающих  поверхностях. Чтобы улучшить стойкость конструкционных материалов, органические теплоносители необходимо очищать от воды. До температур, соответствующих началу термического разложения или разложения под действием радиации, органические теплоносители не взаимодействуют с конструкционными материалами. Для отвода тепла из активной зоны реакторов на тепловых нейтронах представляются также перспективными органические теплоносители. Имея в своем составе атомы водорода, органические вещества обладают хорошими замедляющими свойствами, что позволяет использовать их в качестве и замедлителей и теплоносителей. Большинство органических веществ слабо активируется в нейтронном поле. Широкое распространение, в частности в связи с развитием ядерной энергетики, получили высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ). Относящиеся к этой группе вещества имеют, структуры, в которых молекула в целом сохраняется как отдельная единица. По виду связей все известные ВОТ относятся к веществам с гетеродесмической структурой. Все ВОТ подразделяются на однокомпонентные и составные (многокомпонентные). Одним из самых распространенных теплоносителей в ядерном реакторе является вода. В реакторах на тепловых нейтронах в качестве теплоносителя используют обычную и тяжёлую воду, водяной пар, органические жидкости, двуокись углерода; в реакторах на быстрых нейтронах — жидкие металлы (преимущественно натрий), а также газы (например, водяной пар, гелий). Часто теплоносителем служит

                                                                         8

жидкость, являющаяся одновременно и  замедлителем. Тяжёлая вода по своим химическим и теплофизическим свойствам мало отличается от обычной воды. Она практически не поглощает нейтронов, что даёт возможность использовать в качестве ядерного топлива природный уран в реакторах с тяжеловодным замедлителем. Однако тяжёлая вода пока мало применяется в реакторостроении ввиду её высокой стоимости. Природная вода содержит небольшое количество тяжёлой воды (0,017%), различных примесей и растворённых газов. Присутствие примесей и газов делает воду химически активной с металлами. Поэтому воду, прежде чем использовать её как теплоноситель, очищают от примесей методом дистилляции и деаэрируют, то есть удаляют из воды газы.

Из жидкометаллических теплоносителей наиболее освоен натрий. Он химически  активен с большинством металлов при сравнительно низкой температуре, и эта активность натрия обусловливается  примесью окислов натрия. Поэтому  натрий тщательно очищают от окислов, после чего он не реагирует со многими  металлами (Mo, Zr, нержавеющая сталь  и др.) до 600—900 °C. Из числа опробованных органических жидкостей наиболее стабильными в условиях повышенных температур и радиоактивного облучения оказались некоторые из полифенилов, в том числе дифенил и трифенил. Однако, несмотря не некоторые преимущества, такие теплоносители оказались слишком нестойкими к нейтронному облучению, поэтому промышленно такие реакторы не применялись. Основной газовый теплоноситель — углекислый газ. Он недорог, характеризуется повышенными по сравнению с другими газами плотностью и объёмной теплоёмкостью. Коррозионное воздействие углекислого газа на металлы зависит от содержания кислорода. Он присутствует в углекислом газе как примесь и, кроме того, образуется при высоких температурах в процессе диссоциации молекул CO2 на окись углерода CO и

                                                                  9

кислород O2.

Для высокотемпературного теплоносителя  важным критерием является его экологичность  и безвредность для рабочих. Существует множество изобретений относящихся к области теплоэнергетики позволяющие получить негорючий нетоксичный теплоноситель, который способен существовать в расплавленном состоянии без изменения химического состава при низком давлении собственных паров в широком диапазоне температур от 400 до 1200°С, оставаясь инертным к основным конструкционным материалам на базе сплавов железа. Для передачи тепла используют вещества в различных агрегатных состояниях и различной химической природы. Наибольшие мощности удается передать при использовании газовых и жидких теплоносителей. Применение жидких теплоносителей позволяет использовать сравнительно дешевые материалы и конструкции теплообменников. В качестве жидких теплоносителей применение нашли вода, высококипящие органические жидкости, кремне

органические жидкости, расплавленные  металлы и соли.  Каждая из перечисленных групп веществ имеет определенные преимущества и ограничения при использовании в качестве теплоносителя. Наибольшее применение имеет вода, которая легкодоступна, дешева и позволяет создавать конструктивно простые теплообменные устройства. Однако вода имеет ограничения при использовании в высокотемпературных теплонапряженных установках: предельная температура использования не превышает 374°С, в условиях кипения в большом объеме при тепловых нагрузках выше 1 МВт/м2 наступает кризис кипения из-за образования паровой пленки, которая резко уменьшает теплопередачу к воде, что приводит к перегреву и разрушению теплопередающей поверхности. Кроме того, контакт высокотемпературных конструкционных материалов с