Энергетика многих современных производственных процессов и основана на применении для передачи тепла жидких теплоносителей и рабочих сред со специфическими химическими, теплофизическими и реологическими свойствами. В целом ряде закрытых циркуляционных жидкостных систем успешно применяют нетоксичные нефтяные масла — теплоносители, отличающиеся достаточно высокой термической стабильностью и температурой самовоспламенения. Нефтяные масла — высокотемпературные теплоносители, работоспособные до 280–320°С, представляют собой продукты глубокой переработки нефти, в которых благодаря технологическим особенностям процесса достигается высокое содержание ароматических углеводородов. Поэтому в обозначениях масел, как правило, включена аббревиатура АМТ (ароматизированное масло-теплоноситель), а следующая затем цифра указывает примерную предельно допустимую температуру длительного применения. Эти масла представляют собой смесь экстрактов селективной очистки нефтяных дистиллятных масел. Но экстракты, главным преимуществом которых является дешевизна, обладают и существенными недостатками — плохими низкотемпературными свойствами, повышенной коррозионной агрессивностью и способностью вызывать образование различных отложений внутри циркуляционной системы.
В последние годы в эксплуатации появились новые типы масел-теплоносителей, представляющие собой обычные нефтяные дистиллятные масла селективной очистки. Они лишены перечисленных выше недостатков.
На рынке представлены как российские, так и импортные масла-теплоносители. Масла выпускаются как нефтяные, так и синтетические, для эксплуатации как в закрытом (безвоздушном), так и в открытом (ванна, двойной котёл) контуре. Температурный диапазон использования различных теплоносителей варьируется от -115º С до 410º С. При подборе теплоносителя необходимо ориентироваться на рекомендуемые температурные диапазоны использования, чтобы они максимально соответствовали технологическим процессам производства. Теплоносители служат длительный срок, если их эксплуатировать при нормальных условиях и температурах не выше рекомендуемых для каждого теплоносителя. Однако на практике срок годности жидкости зависит от многих факторов: наличие/отсутствие перепадов температуры в системе, равномерности нагрева различных частей системы, отсутствие соприкосновения с воздухом в камере расширения. В правильно сконструированной и работающей системе можно ожидать, что теплоноситель прослужит несколько лет.
Цель настоящей работы — сравнительные испытания масел-теплоносителей различного состава. В связи с этим в работе решаются следующие задачи:
анализ работы современных закрытых циркуляционных систем обогрева;
выбор методик лабораторных испытаний масел — теплоносителей;
сравнительные испытания нефтяного масла-теплоносителя, производимого в ООО «ЛЛК-Интернешнл», и масел ряда ведущих производителей.
Рассмотрим применение закрытых циркуляционных систем нагрева. Системы, в которых используются масла-теплоносители:
Масляные термостаты и парогенераторы
В качестве теплоносителя в контурах термостатов используются различные масла. Максимальная рабочая температура термостатов достигает 300°С. Термостаты разработаны для обеспечения заданной температуры пресс-форм и каландров и используются в различных промышленных процессах, в том числе при литье, в экструзии и ковке. В качестве теплоносителя в парогенераторах используется специальное масло-теплоноситель. Комбинированное использование масел в термомасляных системах парогенераторов представляет собой один из простых способов получения пара, необходимого для производства.
Воздухонагреватели
Во многих промышленных установках, где требуется горячий воздух, например в сушилках, надежным и эффективным решением вопроса является использование воздухонагревателей с использованием масла-теплоносителя. Масло циркулирует в трубках, обдуваемых холодным воздухом. В результате теплообмена получается горячий воздух, который затем можно с легкостью использовать в промышленных системах. Наибольший объём потребления масел-теплоноситлей приходится на термомасляные котлы и системы их использующие.
Термомасляные котлы
Масла-теплоносители используются в закрытых циркуляционных системах использующих. Использование масла в качестве теплоносителя для подвода тепловой энергии в различных технологических процессах в промышленности является более предпочтительным нагреву паром, так как позволяет получить высокие температуры при низких давлениях, что удешевляет стоимость основного оборудования. Вследствие высокой гибкости таких систем многие промышленные технологии, разработанные в последнее десятилетие (производство полиэфирных смол, синтетических смол, термопластических материалов и т. д.) используют масло при температурах до 340°С. Области применения термомасляных котлов: разогрев мазута в нефтехранилищах, получение тепла в промышленности, химические реакции, сушильные установки, горячее прессование, непрямое производство пара.
Топливом для термомасляных котлов может быть: мазут, дизельное топливо, природный газ, пропан-бутан.
В качестве топлива в термомасляных котлах могут использоваться элементы биомассы — отходы деревообработки (опилки, стружка, щепа, кора) любой влажности, древесные пеллеты и гранулы, торф, отходы растениеводства (лузга гречихи, жмых и шелуха семечек подсолнечника, лоза хмеля и винограда, коробочки льна, солома и т. п.).
Теплоносительные установки
Термомасляные котлы находят применение преимущественно в промышленности, где они заменяют паровые котельные. Теплоносительные установки широко распространены в развитых странах, находят применение во всех областях энергетики. Везде, где требуется равномерный процесс нагрева при температурах до 450°С, в качестве теплоносителя установок вместо горячей воды или пара все шире применяют масла. Имеются следующие режимы: водогрейный режим для отопления и г. в.с., паровой режим для технологических нужд, с выработкой электроэнергии.
Термомасляная котельная
Термомасляная котельная или котельная термального масла — теплогенерирующая система использующая в качестве теплоносителя нефтяное или синтетическое масло. Термомасляная котельная позволяет при невысоком давлении в трубопроводах (около 6 бар) создавать рабочие температуры до 350 °С. Области использования термомасляных котельных: пищевая промышленность (пекарни, производство кофе, производство жиров и масел), бумажное и картонное производство, деревообработка (производство ДСП и ДВП, сушка дерева), металлопромышленность (печи сушки и окрашивания, гальванизация, удаление жиров), бетонная и строительная промышленность (печи термической обработки, нагрев бетона и смесей, сушка кирпичей), пластмассовая промышленность (печи термической обработки, печи для сушки, сушка туннель-прессов), химическая промышленность (нагрев жидкостей, емкостей, автоклавы).
Комплексы верхнего разогрева и слива темных нефтепродуктов
Комплексы предназначены для разогрева и слива темных нефтепродуктов (мазута), нефти, битумов из ж/д цистерн через верхний люк. В качестве теплоносителя используется специальное масло-теплоноситель. Нормы потребления масла зависят от мощности установки, объема расширительного бака, обогреваемой площади, условий эксплуатации и т. д. Нефтяной теплоноситель, при правильной эксплуатации системы служит до 10000 часов, синтетический в 5 раз дольше, обнаружение и мониторинг термической деструкции теплоносителя (возникает при превышении температур использования для данного теплоносителя), нетрудно осуществлять путем проведения периодического его анализа.
По данным исследования настоящей работы можно сделать следующие выводы:
- Масла-теплоносители, изготовленные на основе очищенных масел, при 20°С значительно превосходят масла на основе экстрактов селективной очистки по теплоемкости (в среднем на 20–25 %), и уступают по теплопроводности (на 5–6 %). При работе циркуляционных систем обогрева очищенные масла-теплоносители более предпочтительны, поскольку имеют значительно меньшую испаряемость. У масла ЛУКОЙЛ ТЕРМО ОЙЛ этот показатель ниже других — 10,80 % масс при 250°С.
- С ростом температуры до 150°С у очищенных масел-теплоносителей теплоемкость растет. При этом теплоемкость масла ЛУКОЙЛ ТЕРМО ОЙЛ растет в наибольшей степени, что объясняется почти полным отсутствием ароматических углеводородов. Теплопроводность всех масел с ростом температуры до 150°С снижается и почти сравнивается.
- После термического воздействия теплоемкость всех масел-теплоносителей возрастает вследствие испарения легких углеводородов.
- По термической стабильности и воздействию на металлы масло-теплоноситель ЛУКОЙЛ ТЕРМО ОЙЛ превосходит как очищенные масла Mobiltherm 605 и ShellHeatTransferoilS2, так и масла на основе экстрактов селективной очистки Башнефть АМТ-300 и Газпромнефть МТ-300 ом.
- Идентичность химического состава масел ЛУКОЙЛ ТЕРМО ОЙЛ, Mobiltherm 605 и ShellHeatTransferoilS2 позволяет сделать вывод о полной взаимозаменяемости масел, при добавлении в систему одного масла в другое возможно смешение этих масел в любых пропорциях без существенных изменений в работе циркуляционных систем нагрева. Смешение масла ЛУКОЙЛ ТЕРМО ОЙЛ с теплоносителями на основе экстрактов селективной очистки масляных дистиллятов (типа АМТ-300) путем добавления в систему будет улучшать работу последней пропорционально объему добавления.
- Опыт применения масел-теплоносителей Mobiltherm 605 и ShellHeatTransferoilS2 позволяет рассчитывать, что при эксплуатации масла-теплоносителя ЛУКОЙ ТЕРМО ОЙЛ в циркуляционных системах с температурами нагрева выше 300°С срок службы масла без замены и пополнения системы составит не менее 5 лет.
Литература:
- Лукомский С. М. Высокотемпературные теплоносители и их применение. — М: Госэнергоиздат, 1956–56 с.
- Стромберг А. Г., Семченко Д. П. Физическая химия. — М.: Высшая школа, 2001–527 с.
- Даниэльс Ф., Олберти Р. Физическая химия. Издание 4-е. — М.: «Мир», 1978 г. -648 с.
- Школьников В. М. Справочник. Топлива, смазочные материалы, технические жидкости. Ассортимент и применение. Издание 2-е. — М.: «Химия», 1999 г. -601 с.
- Манг Т., Дрезель У. Смазки. Производство, применение, свойства. Справочник: пер. 2-ого англ. изд. под ред. Школьникова В. М. — СПб.: ЦОП «Профессия», 2010. — 944 с.
- Научно-технический отчет «Применение масел-теплоносителей». Кафедра «Термодинамика» МИНГ им. Губкина. 1987 г. — 78 с.
- Научно-технический отчет «Сравнение тепловой эффективности различных систем нагрева в промышленности». Кафедра «Термодинамика» МИНГ им. Губкина. 1988 г. — 82 с.
- Инструкция по эксплуатации циркуляционной системы нагрева анодной массы. Утверждена Главным инженером Красноярского алюминиевого завода 27 апреля 1990 года.
