Ogólne informacje dotyczące nośników energetycznych (czynnik termodynamiczny)

Czynnik termodynamiczny zwany też krócej czynnikiem - substancja biorąca udział w procesie termodynamicznym zachodzącym w maszynie cieplnej i w innych urządzeniach, w których może taki proces zachodzić (wymiennik ciepła, kocioł).

Czynnikiem jest ciecz lub gaz.

Ze względu także na zastosowanie do ogrzewania lub chłodzenia używamy nazw: czynnik grzewczy albo chłodniczy (chłodzący) Nazwa: chłodziwo odnosi się do czynnika chłodzącego.

Wykorzystuje się takie właściwości czynnika jak:

• Pojemność cieplną, czyli ciepło właściwe, ponieważ w maszynach i innych urządzeniach cieplnych służy do przenoszenia ciepła między źródłami ciepła. Także ważne jest tu ciepło właściwe w rozumieniu rozszerzalności i przechodzenia między fazami ciekłą i gazową.

• Energię potencjalną - na przykład w sytuacjach, kiedy istotna jest przenoszona ilość tej energii a dysponujemy praktycznie nieograniczoną ilością czynnika. Tak jak w turbinach wodnych energia potencjalna wody umieszczonej na pewnej wysokości względem turbiny jest zamieniana na pracę. Z kolei w chłodnicy samochodowej powietrze odbiera ciepło wyprodukowane przez silnik. Wprawdzie ciepło właściwe powietrza ma tu znaczenie, ale korzysta się z tego, że poziom jego energii potencjalnej jest niższy i dysponujemy nieograniczoną ilością napływającego czynnika z otoczenia.

• Energię kinetyczną - zwłaszcza, jeśli zależy nam na napędzaniu jakiegoś urządzenia (turbina wiatrowa) albo chcemy taką energię czynnikowi nadać.

Przykłady czynników termodynamicznych:

• Woda (Para) - woda z uwagi na powszechne jej występowanie bardzo często jest wykorzystywana w technice grzewczej i chłodniczej. Ma bardzo dobre właściwości z uwagi na wymianę ciepła. Szczególnie, jeśli chodzi ciepło parowania i skraplania. Powszechnie używana jako nośnik ciepła do ogrzewania jak i chłodzenia. W kotłach występuje zarówno w swojej postaci ciekłej jak i do wytwarzania pary (w fazie gazowej).

• Powietrze - czynnik bardzo często wykorzystywany w ogrzewnictwie (klimatyzacji), gdyż jest bardziej dostępny niż woda. Najczęściej używany jest do chłodzenia (czynnik chłodzący) i ogrzewania (czynnik grzewczy) wszędzie tam gdzie chłodzenie i ogrzewanie cieczą nastręczałoby problemów.

• Olej diatermiczny- chętnie używany jako czynnik grzewczy, ponieważ łączy w sobie dobre własności termodynamiczne i smarne. Służy do celów grzewczych i chłodniczych.

• Spaliny - są czynnikiem występującym we wszystkich kotłach grzewczych, dlatego są bardzo rozpowszechnione w tej roli. Mimo że to mieszanina różnych substancji to w roli czynnika traktuje się je jako gaz o określonych właściwościach. Są produktem spalania i to niewątpliwie produktem ubocznym.

Spalin czasem używa się jako nośnika energetycznego (grzewczego) - piece nadmuchowe, piekarskie, hartownicze itp.

Nośniki energetyczne (czynniki grzewcze)

Woda, czyli tlenek wodoru (rzadziej używana nazwa to monotlenek diwodoru, a wg obecnej nomenklatury IUPAC - oksydan) to związek chemiczny o wzorze H₂O, występujący w warunkach standardowych (pokojowych) w stanie ciekłym.

W stanie gazowym wodę określamy mianem pary wodnej, a w stałym stanie skupienia - lodem. Potocznie często do każdego ze stanów skupienia odnosi się słowo woda.

Woda jest bardzo dobrym rozpuszczalnikiem dla substancji polarnych.

Większość występującej w przyrodzie wody jest "słona" (około 97,38%), tzn. zawiera dużo rozpuszczonych soli, głównie chlorku sodu.

W wodzie rozpuszczonych jest też wiele gazów, najwięcej dwutlenku węgla.

Woda występująca w przyrodzie jest roztworem soli i gazów.

Najwięcej soli mineralnych zawiera woda morska i wody mineralne; najmniej woda z opadów atmosferycznych.

Wodę o małej zawartości składników mineralnych nazywamy wodą miękką, natomiast zawierającą znaczne ilości soli wapnia i magnezu - wodą twardą.

Jako substancja użytkowa woda może mieć wiele zastosowań.

Najważniejsza jest woda pitna, w gospodarstwach domowych jest używana woda do celów sanitarno-bytowych, w rolnictwie zaś do nawadniania pól, a także znaczne ilości wody zużywają zakłady przemysłowe.

Woda przemysłowa może służyć jako substancja będącą przekaźnikiem ciepła lub ciepło odbierająca (substancja chłodząca), poza tym jako reagent, rozpuszczalnik itp.

Woda naturalna w wielu przypadkach przed zastosowaniem musi zostać uzdatniona. Proces uzdatniania wody dotyczy zarówno wody pitnej jak i przemysłowej.

Właściwości fizyczne wody

 Temperatura topnienia pod ciśnieniem 1 atm: 0°C = 273,15 K

 Temperatura wrzenia pod ciśnieniem 1 atm: 100°C = 373,15 K

 Gęstość w temperaturze 4°C= 1 kg/l.

 Temperatura krytyczna: 374°C = 647,15 K

 Ciśnienie krytyczne: 220,6 atm = 22.35 MPa

 Ciepło właściwe: 4187 J/(kg*K) = 1 kcal

Zanieczyszczenia wód

Jakość wody charakteryzują właściwości fizyczne, czyli mętność, przezroczystość, barwa, smak, oraz zapach i temperatura, właściwości chemiczne- głównie twardość wody, oraz właściwości bakteriologiczne, zawartość bakterii chorobotwórczych.

Stany skupienia wody

Woda występuje najczęściej w postaci cieczy, jednak może być ona również ciałem stałym (lód lub śnieg), a także gazem (para wodna).Prawie wszystkie substancje mogą przechodzić z jednego stanu skupienia w inny. Rozróżnia się następujące przejścia fazowe wody :

• ze stanu stałego w ciekły - topnienie

• ze stanu ciekłego w stały - krzepnięcie

• ze stanu ciekłego w gazowy - parowanie

• ze stanu gazowego w ciekły - skraplanie

• ze stanu stałego w gazowy - sublimacja

• ze stanu gazowego w stały - resublimacja

 
Stan stały - lód lub śnieg.

Lód lub śnieg występują poniżej 0 °C tzw. temp. topnienia. W przyrodzie występują w zimie lub cały czas na obu biegunach. Mają właściwości jak każde ciało stałe tzn. mają określony kształt, trudno zmienić ich objętość. Lód pow.- staje ze schłodzonej wody czyli przez krzepnięcie lub przez resublimację. Lód tak samo jak woda i para wodna nie ma koloru, w dotyku jest zimny i jest ciałem kruchym np. kiedy uderzymy kawałek lodu młotkiem rozkruszy się na wiele drobnych kawałków. Zjawisko zmiany obj. podczas przechodzenia z fazy ciekłej do fazy stałej wody (lód) pełni bardzo istotną rolę w przyrodzie lecz nie wykorzystywane jest w technice grzewczej.

Stan cieczy - woda.

Woda występuje pomiędzy temp.0 °C i 100 °C. Jest ona najważniejszym składnikiem kuli ziemskiej. Bez niej nie mogły by rosnąć rośliny, żyć zwierzęta oraz ludzie. Woda jest wykorzystywana przez człowieka w wielu gałęziach przemysłu. Ma ona takie same właściwości jak inne ciecze. Nie ma określonego kształtu nie jest ściśliwa. Powstaje ona przez schłodzenie pary wodnej czyli skraplanie lub ogrzewanie lodu czyli topnienie. Woda występuje w postaciach jezior, rzek, oceanów itp. Woda jest rozpuszczalnikiem dla wielu ciał stałych np. dla cukru, soli, wapnia.

Stan gazowy-para wodna.

Para występuje w każdej temperaturze. Im większa powierzchnia swobodna tym woda szybciej paruje. Para wodna tworzy się przez parowanie i powyżej 100o C czyli temp. wrzenia oraz przez sublimację czyli zamianę lodu w parę. Często para wodna mylona jest z mgłą, mgła to drobne kropelki wody, para wodna natomiast jest gazem niewidocznym i tworzy się wszędzie. Zjawisko parowania (kondensacji) jest jednym z podstawowych czynników termodynamicznych w technice grzewczej.

Woda kotłowa jest to woda o małej twardości używana do zasilania kotłów parowych i kotłowni wodnych, Jej odpowiedni skład zapewnia bezawaryjną i ekonomiczną pracę kotła, pozwala uzyskać optymalną jakości pary i gorącej wody oraz ma zastosowanie wszędzie tam, gdzie osadzanie się kamienia, korozja, częste odsalanie oraz wysokie zużycie środków do korekty chemicznej prowadzi do dużych strat ekonomicznych.

Powietrze

Powietrze - mieszanina jednorodna gazów stanowiąca atmosferę ziemską.

Zawartość głównych składników powietrza nie zmienia się, zwane są one składnikami stałymi, zawartość niektórych składników zmienia się, zwane są one składnikami zmiennymi.

Składniki stałe: (skład niezmienny do wysokości 80 km, w stanie suchym czyli 0% pary wodnej)

• 78,09% azot

• 20,95% tlen

• 1% argon, neon, hel, metan, krypton, wodór i inne

Składniki zmienne: (różne, w zależności od położenia geograficznego lub też sytuacji, np. erupcji wulkanu)

• para wodna (ok. 0-4%)

• dwutlenek węgla (ok. 0,02-0,20%)

• dwutlenek siarki

• dwutlenek azotu

• ozon

• składniki mineralne: pył, sadza

• składniki organiczne: drobnoustroje, zarodniki roślin

FIZYCZNE I CHEMICZNE WŁAŚCIWOŚCI POWIETRZA

Postać fizyczna, barwa, zapach:	Gaz bezbarwny, bezzapachowy
Temperatura wrzenia:	-193°C
Temperatura topnienia	-213°C
Temperatura krytyczna:	Nie dotyczy
Prężność par:	Nie dotyczy
Rozpuszczalność w wodzie i innych rozpuszczalnikach:	Nie dotyczy
Gęstość względna:	1
Temperatura zapłonu:	Nie dotyczy
Granice wybuchowości:	Nie dotyczy
Temperatura samozapłonu:	Nie dotyczy
Reaktywność:	Stabilny w normalnych warunkach
Właściwości korozyjne:	Nie dotyczy

POWIETRZE O₂, mieszanina gazów oraz cząstek stałych, z których składa się atmosfera ziemska. Głównymi składnikami powietrza są: 

Gaz	Zawartość (w % objętościowych)
Azot N2	78,08
Tlen O2	20,95
Argon Ar	0,93
Dwutlenek węgla CO2	0,03
Neon Ne	0,002
Hel He	0,0005
Krypton Kr	0,0001
Wodór H2	0,00005
Ksenon Xe	0,000009
Ozon O3	0,000001

Do domieszek powietrza zalicza się, jako najważniejsza para wodna, której zawartość przy powierzchni Ziemi zmienia się od prawie 0% (obszary polarne) do 4% (strefa równikowa), oraz: jod, amoniak, związki chemiczne powstałe jako produkty spalania, np. tlenki siarki, azotu, fosforu, cząstki ciekłe i stałe zwane aerozolami, do których należą pyły pochodzenia organicznego ( bakterie, pyłki roślinne) i nieorganicznego (cząstki dymu, sadzy, popiołu, soli, gazy spalinowe, produkty rozpadu radioaktywnego po wybuchach bomb atomowych).

Wilgotność

Powietrze zawiera różną, zależną od warunków otoczenia, ilość pary wodnej. Naturalny skład chemiczny powietrza podlega wielu różnym wpływom.

Do oceny stopnia wilgotności powietrza stosuje się dwie wielkości:

• wilgotność bezwzględną określającą ilość wody w gramach zawartej w 1 m³ powietrza, przy określonym jego ciśnieniu i temperaturze (zwykle są to warunki normalne fizyczne lub techniczne)

• wilgotność względną określającą stosunek ilości pary wodnej zawartej w 1 m³ powietrza, przy określonym ciśnieniu i temperaturze, do ilości pary wodnej maksymalnie możliwej do pochłonięcia w tych warunkach przy zupełnym nasyceniu powietrza. Stosunek ten zwykle podaje się w procentach.

Właściwości fizyczne powietrza

Powietrze jest bezbarwne, nietoksyczne, bezwonne, bez smaku. Ciężko rozpuszcza się w wodzie. Skroplone powietrze jest bladoniebieskie. Gęstość 1,293, temperatura topnienia wynosi (- 213°C), a temperatura wrzenia (-191°C).

Powietrze w technice wykorzystywane jest również jako nośnik energii cieplnej pod warunkiem:

• usunięciu z niego zanieczyszczeń

• redukcji ciśnienia i natężenia przepływu do wymaganego poziomu

ZANIECZYSZCZENIA POWIETRZA

Głównymi gazowymi zanieczyszczeniami powietrza są: związki siarki (SO₂, SO₃, H₂S), związki azotu (NO, NO₂, N₂O, NH₃) tlenki węgla (CO, CO₂), węglowodory (C_xH_y, np. metan).

> Związki siarki. Zanieczyszczenie atmosfery powodują gazowe związki siarki - SO₂, SO₃, H₂S, kwas siarkowy H₂SO₄ i siarczany różnych metali.

> Dwutlenek siarki (SO₂ ) jest bezbarwnym, silnie toksycznym gazem o duszącym zapachu. Wolno rozprzestrzenia się w atmosferze ze względu na duży ciężar właściwy (2,93 kG/m^3, gęstość względna 2,26). Powstaje m. in. w wyniku spalania zanieczyszczonych siarką paliw stałych i płynnych (np. węgla, ropy naftowej) w silnikach spalinowych, w elektrociepłowniach, elektrowniach cieplnych. Największy udział w emisji SO₂ ma przemysł paliwowo-energetyczny. Opalana węglem elektrownia o mocy 1000 MW emituje do atmosfery w ciągu roku 140 000 ton siarki, głównie w postaci SO₂. Dwutlenek siarki utrzymuje się w powietrzu przez 2-4 dni i w tym czasie może si przemieścić na bardzo duże odległości. W powietrzu SO₂, utlenia się do SO₃, a ten z kolei łatwo reaguje z wodą ( z parą wodną zawartą w powietrzu) tworząc kwas siarkowy - H₂SO₄, jeden ze składników kwaśnych deszczów.

SO₂ + 1/2 O₂ => SO₃ +H₂O+ H₂SO₄

> Związki azotu. W atmosferze występuje wiele związków azotu: tlenek azotu (NO), dwutlenek azotu (NO2), podtlenek azotu (N₂O), nadtlenek azotu (NO₃), trójtlenek azotu (N₂O₃, pięciotlenek azotu (N₂O₅), amoniak (NH₃) oraz kwasy: azotawy (HNO₂ i azotowy (HNO₃). Wiele z nich, głównie tlenki azotu, to naturalne składniki atmosfery, tworzące się w efekcie np. wybuchów wulkanów. W niewielkich ilościach nie są substancjami toksycznymi, jednak ich nadmiar powstający podczas procesów produkcyjnych (obróbka wysokotermiczna, komory paleniskowe elektrowni) oraz w silnikach spalinowych powoduje, że stają się one niebezpiecznymi zanieczyszczeniami atmosfery. W szczególności groźne są bezbarwny i bezwonny tlenek azotu oraz brunatny o duszącej woni dwutlenek azotu. Mogą się one kolejno utleniać do pięciotlenku azotu, który w obecności pary wodnej tworzy kwas azotowy - HNO₃, jeden ze składników kwaśnych deszczów.

> Tlenek węgla powstaje w wyniku niezupełnego spalania węgla lub jego związków. Głównym źródłem tego gazu są:- spaliny z silników pojazdów mechanicznych, w szczególności benzynowych (70-80% ogólnej emisji CO);

- przemysł metalurgiczny, elektromaszynowy i materiałów budowlanych;

- elektrociepłownie, elektrownie cieplne;

- koksownie, gazownie;

- paleniska domowe.

Tlenek węgla jest gazem silnie toksycznym. Ze względu na mały ciężar właściwy (1,25 kG/m3, gęstość względna 0,970) łatwo rozprzestrzenia się w powietrzu atmosferycznym. Jest szczególnie niebezpieczny, ponieważ jest to gaz bez smaku, zapachu, barwy, a więc zmysły ludzkie nie ostrzegają przed nim.

> Dwutlenek węgla powstaje podczas wszelkich procesów spalania paliw stałych, ciekłych i gazowych, a także w procesie oddychania organizmów żywych. Dwutlenek węgla w atmosferze nie stanowi bezpośredniej groźby pod warunkiem, że nie nastąpi naruszenie równowagi biologicznej, spowodowane nadmierną jego emisją do atmosfery. Dwutlenek węgla - oprócz roli naturalnej izolacji termicznej - spełnia w przyrodzie również niezwykle ważną rolę jako materiał do budowy substancji organicznej roślin. Jest on podstawowym źródłem węgla pobieranego przez rośliny z powietrza w procesie fotosyntezy.

> Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (WWA) to związki chemiczne zbudowane z węgla i wodoru, zawierające w cząsteczce kilka pierścieni aromatycznych. Węglowodory pojawiają się w powietrzu w wyniku parowania lub spalania paliw, głównie węgla, ropy naftowej i ropopochodnych. Wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne powstają także podczas palenia tytoniu. Jednym z bardziej niebezpiecznych węglowodorów jest 3,4-benzopiren, będący substancją kancerogenną

PARA WODNA

Para wodna - stan gazowy wody.

Para wodna
Nazwa	Para wodna
Stan ciekły	Woda
Stan stały	Lód
Własności
Temperatura topnienia	0 °C (273 K)
Temperatura wrzenia	100 °C (373 K)
Indywidualna stała gazowa	461.5 J/(kg·K)
Ciepło skraplania	2.27 MJ/kg
Masa cząsteczkowa	18.02 g/mol
Ciepło właściwe	1.84 kJ/(kg·K)

Para wodna powstaje w wyniku parowania wody lub sublimacji lodu.

Parowanie (ewaporacja) - proces zmiany stanu skupienia, przechodzenia z fazy ciekłej danej substancji w fazę gazową (parę) zachodzący z reguły na powierzchni cieczy. Może odbywać się w całym zakresie ciśnień i temperatur, w których mogą współistnieć z sobą obie fazy, ale nasila się w wysokiej temperaturze. Proces parowania jest szybszy również, gdy obniżymy ciśnienie zewnętrzne oraz gdy mamy do czynienia z przepływem gazu względem powierzchni cieczy. Parowanie zachodzi wtedy, gdy cząsteczka ma dostatecznie wysoką energię kinetyczną, by wykonać pracę przeciwko siłom przyciągania między cząsteczkami. Procesem odwrotnym do parowania jest skraplanie pary.

Gdy ciśnienie pary nasyconej zrówna się z ciśnieniem otoczenia, wówczas proces parowania - zwany wówczas wrzeniem - zaczyna zachodzić również w całej objętości cieczy.

Proces parowania z bezpośrednim przejściem pomiędzy fazą stała a parą nazywamy sublimacją.

Podczas tego procesu cząsteczka wody odrywa się od cieczy lub ciała stałego i przechodzi do gazu. Takie przejście wymaga dostarczenia energii.

Energia ta jest zwykle pobierana z cieczy w postaci ciepła, przez co następuje oziębianie cieczy. Na granicy ciecz - gaz zachodzi też przechodzenie cząsteczek od gazu do cieczy (skraplanie).

Dla danej temperatury ustala się równowaga zależna od ciśnienia wywoływanego przez cząstki pary wodnej, tzw. ciśnienie parcjalne, a nie zależy ono od ciśnienia wywieranego przez inne gazy na wodę. Gdy cząstek pary jest mniej, to przeważa parowanie, gdy cząstek jest zbyt dużo przeważa skraplanie.

Przy zadanym ciśnieniu, temperaturę do której należy schłodzić parę wodną, by możliwe było jej skroplenie nazywa się temperaturę punktu rosy.

W technice używana powszechnie jako czynnik termodynamiczny.

Otrzymywana najczęściej w kotle parowym i reaktorach jądrowych. Służy przede wszystkim do napędu turbin parowych w elektrowniach cieplnych.

W ciepłownictwie wykorzystywana do transportu ciepła.

Para mokra to mieszanina pary nasyconej i cieczy nasyconej. Ma temperaturę równą temperaturze parowania cieczy przy danym ciśnieniu, czyli temperaturze nasycenia. Przykładem pary mokrej jest para wydobywająca się z czajnika.

Para mokra otrzymywana jest np. w kotle parowym bez przegrzewacza. Stosowana jest w celach grzewczych i technologicznych. W maszynach parowych tłokowych i turbinach została zastąpiona parą przegrzaną, co podniosło sprawność tych urządzeń. Stosowana jest także w niektórych rozwiązaniach elektrowni jądrowych. Dawniej stosowano ją w parowozach, a w tym we wszystkich parowozach bezogniowych.

Parą mokrą jest para odlotowa większości maszyn parowych tłokowych i turbin. Występuje także w ostatnich stopniach turbin parowych kondensacyjnych. Wytrącające się z niej skropliny odprowadzane są na zewnątrz. W maszynie parowej tłokowej wytrącająca się z pary mokrej woda zbiera się w cylindrze i jest okresowo odprowadzana przez kurki odwadniające. Zjawisko to szczególnie nasila się w czasie przerwy w pracy. Nadmiar wody w cylindrze doprowadza do uderzenia wodnego mogącego wyrwać głowicę. Zapobiegają temu zawory bezpieczeństwa na pokrywach, czasami w postaci jednorazowych płytek łamliwych.

Wykraplanie się wody z pary w ostatnich stopniach turbin parowych kondensacyjnych stanowi poważny problem. Kropelki wody poruszają się bowiem nieco inaczej, niż cząsteczki pary wodnej, przez co następuje ich uderzanie o szybko poruszające się końcowe fragmenty łopatek wirnika ostatnich stopni. W wyniku tych uderzeń może dochodzić do zużycia erozyjnego. Powierzchnie szczególnie narażone na "atak" kropel wody pokrywane są materiałami odpornymi na ich działanie erozyjne, ale to nie rozwiązuje całkowicie problemu. Dlatego dopuszcza się maksymalny udział wody w parze mokrej na poziomie 15 % (stopień suchości pary X = 0.85).

Para nasycona to para w równowadze z cieczą, z której powstała.

Stan taki występuje w butli z płynnym gazem propan-butan.

Para ta ma największe możliwe dla danej temperatury ciśnienie i gęstość. Ciśnienie pary nasyconej jest niezależne od objętości. Zmniejszanie objętości w stałej temperaturze powoduje skraplanie pary, a stan równowagi w dalszym ciągu istnieje. Zwiększanie objętości powoduje wyparowanie cieczy bez obniżenia ciśnienia pary nasyconej.

Para sucha to para nie zawierająca cząsteczek cieczy, np. para przegrzana.

Para przegrzana (para nienasycona) to para sucha mająca temperaturę wyższą niż temperatura wrzenia cieczy przy danym ciśnieniu. Otrzymywana przez przegrzanie pary nasyconej w przegrzewaczu. Zastąpienie pary mokrej parą przegrzaną podniosło sprawność maszyn parowych i turbin.

Obecnie w energetyce cieplnej wykorzystywana jest jedynie para przegrzana, gdyż tylko ona zapewnia uzyskiwanie przyzwoitych sprawności konwersji energii.

Skoro już włożyliśmy sporo energii do wytworzenia pary, to należy ją ogrzać do możliwie wysokiej temperatury.

Jeśli ciśnienie pary na wlocie do turbiny jest odpowiednio wysokie, to w wyniku rozprężania w turbinie nastąpi tak silny spadek temperatury pary, że na wylocie z turbiny pojawi się para mokra, będąca mieszaniną pary nasyconej i wody.

Także powietrze i inne gazy techniczne są parą przegrzaną. Ich temperatura wrzenia jest znacznie niższa od temperatury otoczenia

OLEJE DIATERMICZNE

W niektórych gałęziach przemysłu, szczególnie w przemyśle chemicznym i w technologii procesów przetwórczych, wymagane są wysokie temperatury w procesach suszenia i gotowania. Dla tych odbiorników jako nośniki ciepła stosowane są para lub woda gorąca o wysokim ciśnieniu. Obecnie wykorzystuje się nowe nośniki ciepła, które mogą być zastosowane do wielu celów. Główną zaletą tych nośników jest to, że pomimo wysokiej temperatury nie wymagają stosowania nadciśnienia w instalacji (praca bezciśnieniowa). Jednym z tego typu nośników jest olej termiczny, produkt organiczny (pochodny węglowodorów) składający się z dwufenylu i tlenku dwufenylu.

Własności wysokotemperaturowych nośników ciepła (olejów diatermicznych):

Gęstość w temperaturze 15^oC kg/dm³ 0,86 - 1,04

Ciepło właściwe 15^oC kcal/(kg x 1^oC) 0,37 - 0,46

Ciepło właściwe 250^oC kcal(kg x 1^oC) 0,45 - 0,67

Temperatura wrzenia 287 - 350 ^oC

Temperatura krzepnięcia - 7 - -55 ^oC

Współczynnik rozszerzalności cieplnej - 1dm³ przy podgrzaniu 1m³ oleju o 1^oC przy ciśnieniu atmosferycznym.

Rozszerzalność objętościowa oleju wynosi do 10% przy przyroście temperatury o 100^oC. Oleje podgrzewane są w specjalnych kotłach, podobnie jak woda, i za pomocą pomp obiegowych dostarczane do różnych odbiorników ciepła. Do opalania kotłów najlepiej nadaje się olej opałowy lub gaz, można wykonać na specjalne życzenie konstrukcję opalaną paliwem stałym. Instalacje olejowe mogą być wykonywane zarówno w systemie otwartym, jak i zamkniętym.

Instalacje z wysokotemperaturowymi nośnikami ciepła (olejami diatermicznymi) mają następujące zalety:

• zbędne stosowanie skomplikowanej armatury i urządzeń zabezpieczających,

• nie ma konieczności nadzoru (wyłączona spod nadzoru UDT),

• bezpieczna praca bez nadciśnienia w instalacji,

• nie występuje możliwość osadów kamienia kotłowego,

• ogólne koszty instalacji często niższe niż w przypadku pary lub wody o wysokich parametrach .

Termooleje są wysokiej jakości nośnikami ciepłą, olejami grzewczymi na bazie mineralnej. Stosuje się je do bezpośredniego nagrzewania materiałów wrażliwych na działanie zmian temperatury. Stosowane w przypadkach gdy należy unikać miejscowego podgrzania i rozkładu, spowodowanego temperaturą ogrzewanych materiałów.

Oleje diatermiczne zachowują w ciągu swojego długiego okresu eksploatacyjnego wysoką stabilność termiczną. Należy jednak zwrócić uwagę, aby olej grzewczy w instalacji wymiennika ciepła nie był podgrzewany powyżej temperatury 320^oC. Może powodować to tworzenie się pęcherzy. Oleje wykazują w eksploatacji dużą odporność na utlenianie i bardzo małą skłonność do koksowania. Okres eksploatacji oleju grzewczego ulega znacznemu skróceniu w przypadku kontaktu nagrzanego oleju z powietrzem.

Termooleje posiadają korzystną charakterystykę temperaturowo-lepkościową, tzn. lepkość oleju jest tylko w niewielkim stopniu zależna od zmian temperatury.

Olej termiczny jest płynem do temperatury -18^oC i nie trzeba podejmować żadnych specjalnych kroków zamykając zakład w czasie niskich temperatur. Jeżeli temperatura spada poniżej -18^oC, to przy powrocie oleju do stanu ciekłego nie ulega on rozprężeniu.

Okres użytkowania oleju termicznego w dowolnym układzie zależy od konstrukcji i użytkowania układu. Jeżeli układ jest prawidłowo skonstruowany i nie jest przeciążany, wówczas trwałość użytkowania oleju wynosi wiele lat. Ważne jest regularne sprawdzanie stanu oleju , ponieważ tempo zmian właściwości fizycznych jest bardziej istotne niż wartości chwilowe. Z każdego świeżo napełnionego układu należy po upływie tygodnia od uruchomienia pobrać próbkę w celu ustalenia podstawy odniesienia. Kolejną próbkę pobiera się po upływie miesiąca w celu ustalenia czy nie uległy zmianie właściwości oleju. Następne próbki pobiera się potem co 6 miesięcy, (częściej lub rzadziej w zależności od warunków w jakich pracuje olej) a wyniki porównuje się z poprzednimi próbkami. Wartości które należy obserwować to lepkość, kwasowość, temperatury zapłonu i zawartość substancji nierozpuszczalnych. Wybór instalacji z olejem termicznym jest korzystny w takich wypadkach jak:

• kiedy proces technologiczny wymaga wysokich temperatur nie dających się osiągnąć przy użyciu pary, gdyż pociągnęłoby to za sobą bardzo duży wzrost ciśnienia, a co za tym idzie wysoki koszt inwestycji.

• prowadząc działalność w dziedzinach, w których normalnie stosuję się parę, jeśli chce się jednak zredukować koszty eksploatacyjne, na których wzrost często wpływa wymagana obecność kilku przeszkolonych operatorów, niezbędnych aby obsłużyć wszystkie zmiany przy pracy w systemie ciągłym.

Porównanie zalet układu z olejem diatermicznym i układu wodno-parowym.

• odporność na zamarzanie w temperaturach ujemnych,

• nie stanowią czynnika sprzyjającego korozji,

• nie zawierają substancji szkodliwych dla kotła jak np. sole lub krzemionka,

• brak konieczności uzupełniania i preparowania czynnika jako miejsce w instalacjach uzdatniania wody,

• niskociśnieniowa instalacja eliminuje ryzyko wybuchu,

• brak dużych wahań ciśnienia,

• brak konieczności odsalania i odmulania,

• brak kosztownej instalacji nawrotu kondensatu,

• brak konieczności stosowania odgazowywacza termicznego.

Niskie koszty eksploatacyjne są podyktowane mniejszym zużyciem paliwa. Dzięki wyższej sprawności cieplnej obiegu instalacje z cieczowym nośnikiem ciepła pozwalają z reguły zaoszczędzić do 20% paliwa w porównaniu z tradycyjnymi instalacjami parowymi.

Spaliny

Spaliny, gazy spalinowe - gazowy efekt procesu spalania paliwa.

W skład spalin wchodzą:

• produkty reakcji chemicznej utleniania paliwa w spalaniu zupełnym

• produkty reakcji chemicznej utleniania paliwa w spalaniu niezupełnym

• produkty reakcji chemicznej syntezy pomiędzy substancjami chemicznymi znajdującymi się w obszarze działania reakcji utleniania, zachodzące pomiędzy składnikami aktywnymi paliwa, składnikami nieaktywnymi (balastowymi) paliwa, towarzyszącymi gazami obojętnymi oraz częściowymi produktami reakcji chemicznych pojawiającymi się w trakcie reakcji utleniania i reakcji innych syntez

• niewykorzystana część substancji aktywnych paliwa w postaci gazowej lub pary

• substancje nieaktywne paliwa w postaci gazowej lub pary

• gazy obojętne

Do spalin zalicza się wszystkie substancje, które podczas procesu spalania znajdowały się w postaci gazowej, niezależnie od tego, w jakim stanie skupienia będą one później, po ochłodzeniu się w atmosferze tych gazów. Tak więc do spalin zalicza się również drobne cząstki ciekłe (mgła) powstałe w wyniku skroplenia par w chłodnącym gazie spalinowym, jak również drobne cząstki stałe (dym) utworzone w wyniku krzepnięcia roztopionych kropel mgły, sublimacji, lub też wytrącone bezpośrednio z reakcji chemicznych. Ze względów technologicznych (oczyszczanie gazów spalinowych), do spalin zalicza się również towarzyszące tym gazom rozdrobnione cząstki stałe (zarówno aktywne, jak i balastowe) paliwa porwane ruchem gazów spalinowych.

Gazy spalinowe nie pozostają bez wpływu na środowisko naturalne, a część ich składników jest wręcz toksyczna. Maksymalne dopuszczalne stężenie toksyn i innych szkodliwych substancji (zapylających, tworzących ogniska kondensacji smogu) w spalinach określają normy. Duże ilości spalin są również uważane za przyczynę efektu cieplarnianego

Spalanie zupełne to spalanie, którego produktem jest najtrwalszy z możliwych do uzyskania w danej reakcji związek chemiczny.

C + O₂ → CO₂

Spalanie niezupełne zachodzi w sytuacji gdy substancja nie może z jakichś powodów utlenić się do końca.

2C + O₂ → 2CO

O tym czy spalanie będzie zupełne czy niezupełne decyduje m.in. współczynnik nadmiaru powietrza.

Tlenek węgla

Tlenek węgla (CO, nazwa zwyczajowa czad, nazwa systematyczna: tlenek węgla(II)) - nieorganiczny związek chemiczny, tlenek węgla na II stopniu utlenienia.

W temperaturze pokojowej jest to bezbarwny i bezwonny gaz. Temperatura wrzenia: -191,5°C. Temperatura topnienia: -204°C. Ma silne własności toksyczne. Tlenek węgla ma nieco mniejszą gęstość od powierza, co powoduje, że w zamkniętych pomieszczeniach gromadzi się głównie pod sufitem. Jest trudno rozpuszczalny w wodzie. Ma właściwości redukujące.

Jest to gaz palny, pali się niebieskim płomieniem. W wyniku spalania powstaje dwutlenek węgla. W naturze występuje w gazach kopalnianych.

Zatrucie tlenkiem węgla

Zatrucie tlenkiem węgla (popularnie nazywane zaczadzeniem) jest najczęściej spotykanym zatruciem gazowym.

Przyczyny występowania tlenku węgla w powietrzu

• pożary (np. w przypadku zaprószenia ognia w mieszkaniu)

• wadliwe piecyki gazowe lub użytkowane w pomieszczeniach o niesprawnej wentylacji

• zatrucia przemysłowe

• zatrucia samobójcze.

Już wdychanie powietrza ze stężeniem 0,16 % objętościowego CO, powoduje po dwóch godzinach zgon. O ile przy większych stężeniach (pow. 0,32 %) pierwszymi objawami zatrucia jest silny ból głowy i wymioty, to mniejsze stężenia powodują przy względnie krótkim wdychaniu jedynie słaby ból głowy i zapadanie w śpiączkę, jednak i te stężenia powodują po dłuższym kontakcie zgon.

Objawy zatrucia tlenkiem węgla zależnie od stężenia objętościowego w powietrzu:

• 100-200 ppm (0,01% - 0,02%) - lekki ból głowy przy ekspozycji przez 2-3 godziny;

• 400 ppm (0,04%) - silny ból głowy zaczynający się ok. 1 godzinę po wdychaniu tego stężenia;

• 800 ppm (0,08%) - zawroty głowy, wymioty i konwulsje po 45 miniutach wdychania; po dwóch godzinach trwała śpiączka;

• 1 600 ppm (0,16%)- silny ból głowy, wymioty, konwulsje po 20 minutach; zgon po dwóch godzinach;

• 3 200 (0,32%) - intensywny ból głowy i wymioty po 5-10 minutach; zgon po 30 minutach;

• 6 400 ppm (0,64%) - ból głowy i wymioty po 1-2 minutach; zgon w niecałe 20 minut;

• 12 800 ppm (1.28%) - śmierć po 3 minutach.

U osób z podejrzeniem zatrucia tlenkiem węgla wykonuje się badanie krwi na zawartość hemoglobiny tlenkowęglowej . Stan kliniczny zależy przede wszystkim od czasu przebywania danej osoby w trującej atmosferze, niż od stężenia tlenku węgla w powietrzu oddechowym.

Leczenie

• przerwanie kontaktu osoby zatrutej z tlenkiem węgla

• tlenoterapia konwencjonalna i w komorze hiperbarycznej

• zapobieganie obrzękowi mózgu

• leczenie kwasicy metabolicznej

• leczenie hipertermii

• ogólne leczenie objawowe (np. zapobieganie zapaleniu płuc, odleżynom itp.)

U zatrutych osób uratowanych przed śmiercią często występują odległe powikłania ze strony ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego.

Dwutlenek węgla

Dwutlenek węgla
Ogólne informacje
Nazwa systematyczna	Tlenek węgla(IV)
Inne nazwy	Dwutlenek węgla Ditlenek węgla Suchy lód (stały)
Wzór chemiczny	CO2
Wygląd	bezbarwny gaz
Właściwości
Gęstość i stan skupienia	0,00198 g/cm^3 , gaz
Rozpuszczalność w wodzie	1,45 kg/m³
Temperatura topnienia	-57°C (216 K)
Temperatura wrzenia	-78°C (195 K, sublimuje)
Kwasowość (pKa)	pKa1 6.35 pKa2 10.33
Lepkość	0,07 (-78°C)
Temperatura zapłonu	niepalny

Dwutlenek węgla (CO₂, nazwa systematyczna: tlenek węgla(IV)) - nieorganiczny związek chemiczny. W temperaturze pokojowej jest to bezbarwny, bezwonny i niepalny gaz, dobrze rozpuszczalny w wodzie i cięższy od powietrza (ok. 1,5 razy). Pod normalnym ciśnieniem przechodzi ze stanu stałego do gazowego (sublimuje) z pominięciem fazy ciekłej w temperaturze -78,5°C. Pod zwiększonym ciśnieniem (5.1 atm) można go jednak skroplić w temperaturze - 57 °C.

Dwutlenek węgla jest produktem spalania i oddychania. Jest wykorzystywany przez rośliny w procesie fotosyntezy. Tworzy się przy utlenianiu i fermentacji substancji organicznych.

W małych stężeniach nie jest trujący, w większych stężeniach ditlenek węgla jest szkodliwy dla zdrowia a nawet zabójczy, a jego działanie powoduje powstawanie hiperkapni, a co za tym idzie kwasicy oddechowej i w następstwie obrzęku mózgu.

Zastosowanie w przemyśle

• jako suchy lód jest wykorzystywany jako chłodziwo

• zawarty w powietrzu wywołuje twardnienie zaprawy wapiennej

• gazowanie napojów chłodzących

• jako atmosfera neutralna w dojrzewalniach owoców i wielu innych miejscach

• czynnik chłodniczy w obiegach nadkrytycznych

• czynnik roboczy w gaśnicach śniegowych i instalacjach gaśniczych (obecnie w krajach UE wycofywane gaśnice tzw. śniegowe)

---