Главная \ Новости \ ТЕПЛОНОСИТЕЛИ ЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМ

ТЕПЛОНОСИТЕЛИ ЖИДКОСТНЫХ СИСТЕМ

« Назад

29.09.2013 03:59

Характеристика теплоносителей жидкостных систем охлаждения


Гольфстрим


Элита


Антифриз Эко-30

 

Назначение охлаждающих жидкостей ДВС – воспринимать и отводить тепловой поток от тех зон и деталей двигателя, перегрев которых вызывает нарушение нормальной работы двигателя или его разрушение.

Эффективность функционирования систем жидкостного охлаждения во многом определяется физическими и химическими свойствами охлаждающей жидкости. Процесс отвода теплоты от двигателя и передача его в окружающую среду зависят от теплоемкости и теплопроводности жидкости: чем выше эти показатели, тем интенсивнее охлаждается двигатель. С увеличением теплоемкости возрастает количество теплоты, которую жидкость способна воспринять при заданном повышении температуры, а с увеличением ее теплопроводности теплота отводится быстрее.

Таким образом, с увеличением теплоемкости можно уменьшить количество жидкости, циркулирующей в системе, а увеличением теплопроводности уменьшить скорость ее циркуляции и получить более равномерную ее температуру и сократить затраты мощности на привод насосов системы охлаждения.

В жидкостных системах охлаждения современных транспортных двигателей внутреннего сгорания применяют два основных типа охлаждающих жидкостей: воду и низкозамерзающие жидкости (антифризы).

Вода как охлаждающая жидкость по многим свойствам превосходит другие известные жидкости. Вода из известных нам теплоносителей обладает самой высокой теплоемкостью (4200 Дж/(кг*К)) и является идеальной тепловоспринимающей жидкостью.. Из десяти теплоносителей, среди которых были натрий, сплав 75% калия и 25% натрия, ртуть, вода, антифризы А-40 и А-65, фреон-12, дизельное топливо, масло М-10Г2 и метиловый спирт, по теплогидравлической эффективности вода уступает только натрию и сплаву калия и натрия, применение которых для охлаждения сопряжено со значительными трудностями, и превосходят все остальные теплоносители. Кроме того, применение таких теплоносителей, как ртуть и фреон-12, недопустимо экологически.

Вода обладает очень большой уделенной теплотой парообразования, что иногда используется в испарительной (пароводяной) системе охлаждения. Исключительная доступность воды, ее практически повсеместные запасы (реки, озера и др.) делают воду очень удобной и дешевой для применения.

Однако вода как охлаждающая жидкость обладает и существенными недостатками, затрудняющими ее применение.

При 0 ºС вода кристаллизуется со значительным увеличением объема (примерно на 10%), в результате чего в системе возникают давления до 200-300 Мпа, способные привести к серьезным повреждениям ("размораживанию") системы.

Вода имеет сравнительно низкую температуру кипения (100 ºС при p=0,101 Мпа), что приводит иногда к ее закипанию в радиаторе, поэтому рабочая температура воды в открытой системе охлаждения не должна превышать 90 ºС. При более высоких температурах вода интенсивно испаряется. В разряженной атмосфере ее температура кипения понижается. Поэтому в горных районах с возрастанием высоты понижается предельная температура воды в радиаторе.

Вода хорошо растворяет многие вещества: соли, кислоты, щелочи и газы, такие как кислород, азот углекислоту и др. Поэтому в природе вода, никогда не встречается в абсолютно чистом виде. Большая часть растворенных в ней веществ представляет собой углекислые, хлористые и серно-кислые соли натрия, кальция и магния (до 94%), соли азотной, фосфорной, кремнивой кислот и другие.

Из различных солей, находящихся в растворенном состоянии в воде, особое значение имеют соли кальция и магния. Они придают ей свойства, которые принято называть жесткостью. За единицу жесткости принимают миллиграмм-эквивалент солей на 1л воды (1 мг-экв отвечает содержанию 20,04 мг/л Са++ или 12,16 мг/л Mg++).

Вода, предназначенная для приготовления охлаждающей жидкости, должна удовлетворять требованиям, предъявляемым к технической воде. Для сравнения в табл. 2.1. приведены свойства питьевой и дистиллированной воды.

Прочерк означает, что данный показатель не регламентируется.

Если в качестве эталона принять физико-химический состав воды Онежского озера, наиболее близкий к требованиям инструкций по эксплуатации , то окажется, что вода Азовско-Донского и Волжско-Камского водно-транспортных бассейнов обладает наихудшим составом, что требует принять специальных мер по ее приготовлению, а также совершенствованию технического обслуживания систем охлаждения дизелей в целом ряде основных регионов России.

Высокая температура замерзания воды и большое объемное расширение ее при замерзании сильно усложняют эксплуатацию двигателей с водяным охлаждением в зимнее время. Поэтому при эксплуатации в условиях низких температур в качестве теплоносителя системы охлаждения вместо воды используется специальные низкозамерзающие жидкости, получившие общее название "антифризы".

Растворение различных неорганических и органических солей в воде позволяет значительно понизить ее температуру замерзания.

Таблица 2.1

Характеристики дистиллированной питьевой

Показатель Вода дистиллированная (ГОСТ 6709-72) Вода питьевая (ГОСТ 2874-82) Вода техническая (котловая) (ГОСТ 200995-75)
Водородный показатель, рН 5,4-6,6 6-9 5-6
Жесткость общая, мг-экв/л, не более 0 7 1,5-3,0
Остаток после выпаривания, мг/л, не более 1 1000 15
Остаток после прокаливания, мг/л, не более 1 - 1
Содержание химических веществ мг/л, не более:
нитраты 0,2 45 -
сульфаты 0,5 500 -
хлориды 0,02 350 < 30
алюминий 0,05 0,5 -
железо 0,05 0,3 -
медь 0,02 1,0 -
мышьяк - 0,05 -
свинец 0,05 0,03 -
стронций - 7,0 -
цинк 0,2 5,0 -

Наиболее низкую температуру замерзания дают водные растворы хлористого кальция, хлористого магния и лактата натрия (до – 45 ºС). Солевые растворы обладают высокой электропроводностью и вызывают значительную коррозию металлов системы охлаждения. До настоящего времени не найдено ни одного ингибитора, устраняющего коррозию, вызываемую солевыми антифризами. В качестве антифризов применялись водо-глицириновые смеси, которые обладают высокой температурой кипения. Вследствие высокой стоимости глицерина применение таких смесей экономически нецелесообразно. Кроме того, водо-глицириновые смеси имеют повышенную вязкость, что затрудняет циркуляцию, особенно при запуске холодного двигателя. В качестве антифризов использовались также водные растворы метилового, этилового и изопропилового спиртов. Недостатком их является сильная испаряемость, что вызывает большие потери спирта, и повышение температуры замерзания водо-спиртовой смеси в процессе эксплуатации.

Имеются замедлители испарения, состоящие из смеси минеральных масел с терпентиловыми спиртами. Водно-спиртовые охлаждающие жидкости из-за высокой стоимости и склонности к испарению не получили распространения. Самой распространенной низкозамерзающей жидкостью является смесь воды с двухатомным спиртом – этиленгликолем (СН2-СН2ОН или С2Н4(ОН)2). Смешивается в любых отношениях с водой, спиртами и многими другими растворителями. Не смешивается с бензолом, эфиром, хлороформом. Очень гигроскопичен. Замерзает не четко при температурах от – 12,5 до – 25 ºС, образуя звездчатые или перистые кристаллы.

Теплоемкость чистого этиленгликоля (ЭГ) при разных температурах с достаточной точностью можно вычислить по формуле Нейма и Курлянкина:

Ср=0,5388+0,00112 t, кДж/(кг*К),

где Ср– теплоемкость чистого ЭГ; t – температура, ºС.

 

Технический этиленгликоль применяют в качестве высококипящей жидкости для охлаждения двигателей, работающих в напряженном тепловом режиме.

При использовании этиленгликолевого охлаждения рабочая температура жидкости в системе может быть повышена до 120-130 0С. Этим создается значительно большой перепад температур охлаждающей жидкостиужающего воздуха, чем при применении воды, что способствует более интенсивному охлаждению двигателя.

К недостаткам этиленгликоля как высококипящей охлаждающей жидкости относятся:

  • низкая температура вспышки и в связи с этим пожароопасность;
  • повышенная гигроскопичность, вследствие чего в процессе эксплуатации постепенно увеличивается содержание воды в ЭГ и понижается его температура кипения;
  • высокая подвижность (проницаемость) ЭГ, что повышает требования к соединениям и уплотнениям системы охлаждения двигателя.

 

Отрицательным свойствам этиленгликоля как составной части антифриза является его коррозийное действие на материалы, для предотвращения которого требуется введение соответствующих присадок.

Теплофизические свойства воды и этиленгликоля приведены в табл. 2.2.

Теплоемкость и теплопроводность ЭГ значительно меньше тех же показателей воды. Коэффициент объемного расширения несколько больший. Это еще раз подтверждает, что в чистом виде ЭГ применять для охлаждения двигателей нецелесообразно.

Смеси с водой обладают свойством эвтектических растворов, т.е. их температура застывания ниже, чем у каждого компонента смеси в отдельности. На рис. 2.1. показана эвтектическая диаграмма различных (по соотношению компонентов) смесей воды и этиленгликоля. На диаграмме отчетливо видно, что самую низкую температуру застывания (-75 ºС) имеет смесь, содержащая 33% воды и 67% этиленгликоля. Этим свойством эвтектических растворов пользуются при приготовлении антифризов. Образующий гидрат также имеет низкую температуру застывания. Этиленгликоль весьма устойчив при высокой температуре, распад наступает при t>520 ºС. Термическая устойчивость этиленгликоля и явилась одной из причин широкого применения его в качестве охлаждающей жидкости.

Таблица 2.2

Теплофизические характеристики воды и этиленгликоля

Показатель Вода ЭГ
Формула Н2О С2Н4(ОН)2
Молекулярная масса 18,01 62,07
Плотность при 20ºС, кг/м3 998,2 1113,2
Коэффициент рефракции nd20 - 1,4318
Температура замерзания, ºС 0 -11,5
Температура кипения при 0,1Мпа, ºС 100 197,7
Удельная теплоемкость, кДж/(кг*ºС)
  при 20 ºС
  при º0С

4,184
2,04

2,422
-
Упругость насыщенного пара при 105ºС, мм рт.ст. - 18
Удельная теплопроводность, кДж/(ч*м*ºС) 2,179 0,955
Вязкость при 20ºС, мм2/с 1,0 19-20
Удельная теплота испарения, Дж/кг 2258 800
Удельная теплота плавления, Дж/кг 532,7 182,3
Коэффициент объемного расширения (в пределах 0-100ºС) 0,00046 0,00062
Температура вспышки, ºС
  в открытом тигле
  в закрытом тигле

-

116
122
Температура воспламенения, ºС - 140
Температура самовоспламенения на воздухе, ºС - 416

Смешивание ЭГ с водой сопровождается выделением теплоты. Теплота образования гидрата этиленгликоля С2Н4(ОН)2*2Н2О составляет 2,5 Дж/моль. Максимальный тепловой эффект достигается при смешивании 37% (масс.) ЭГ и 63% воды. Чистый этиленгликоль и его водные растворы имеют строго определенный коэффициент рефракции, который используется как показатель, характеризующий состав. Зависимость между концентрацией ЭГ в водных растворах и коэффициентом рефракции линейная.

В нашей стране выпускаются два типа автомобильных ОЖ: Тосол-А40М и Тосол-А-65М (используется исключительно в районах с очень низкой температурой в зимний период). Первый имеет температуру кристаллизации не выше -400С, второй – не выше -650С. Состав ОЖ Тосол-А40М: этиленгликоль – 53%, вода – 44%, присадки 3%. Состав ОЖ Тосол-А-65М: этиленгликоль – 63%, вода – 33%, присадки 4%.

Показатель концентрации ионов водорода рН антифриза должен быть не выше 7,5-8,5. Жидкости, имеющие повышенную щелочную реакцию, вызывают коррозию алюминиевых и латунных двигателей системы охлаждения. Кислая реакция охлаждающих жидкостей также недопустима. Такие жидкости вызывают коррозию всех металлов системы охлаждения.

Склонность жидкости к вспениванию может послужить препятствием к ее применению в качестве теплоносителя, так как при вспенивании возможно нарушение нормальной работы системы охлаждения и утечки жидкости из системы, поэтому в антифризе содержится пеногаситель.