Статья «Охлаждающие жидкости»

Охлаждающие жидкости

Коврижников Александр Юрьевич

преподаватель спецдисциплин ГОУ СПО Кемеровского

профессионально-технического техникума

В процессе работы двигателя температура в камере сгорания достигает 2000-2500 градусов. Часть тепла, выделяющегося в процессе сгорания топлива в двигателе, идёт на нагревание деталей двигателя. При этом из-за очень высоких температур стенок камеры сгорания теряется мощность двигателя, так как ухудшается наполнение цилиндров. Кроме того, ухудшаются условия смазывания, появляется детонация, калильное зажигание, усиленное нагарообразование, повышенное трение и изнашивание деталей, может произойти изменение геометрии головки блока двигателя. Чтобы предотвратить перегрев деталей, их охлаждают. Система охлаждения двигателя в зависимости от его быстроходности и мощности отводит 15…35 % теплоты, образующейся при сгорании топлива. В бензиновых и газовых двигателях доля отводимой теплоты больше, чем в дизелях. Система охлаждения может быть воздушной или жидкостной. Наибольшее распространение на автомобильных двигателях получили жидкостные системы охлаждения.

В двигателях внутреннего сгорания в блоке и головке блока цилиндров между двойными стенками находится рубашка системы охлаждения, заполняемая жидкостью. Охлаждающая жидкость отводит тепло от стенок и отдаёт тепло воздуху, проходящему через радиатор. При этом охлаждающая жидкость циркулирует в замкнутом пространстве системы охлаждения, нагреваясь в блоке и головке цилиндров и охлаждаясь в радиаторе. Для обеспечения нормальной работы двигателя охлаждающая жидкость должна удовлетворять определённым требованиям.

Основными являются следующие требования: минимальная температура замерзания, минимальная вязкость, минимальный коэффициент объемного расширения, максимальная температура кипения, отсутствие воспламеняемости, отсутствие вспенивания, физическая и химическая стабильность, высокая теплоемкость и теплопроводность, не вызывать изменения свойств конструкционных материалов.

Жидкостей удовлетворяющих всем этим условиям одновременно нет. Наибольшее распространение, в качестве охлаждающей жидкости получили вода и антифризы.

Вода.

К достоинствам воды можно отнести: доступность, безопасность (пожарная и взрывная), безвредность (отсутствие токсичности), высокая удельная теплоемкость.

Недостатками воды, как охлаждающей жидкости является: высокая температура замерзания (около нуля градусов по С), увеличение объема образующегося льда (на 10% по сравнению с объемом жидкости при замерзании), низкая температура кипения (сто градусов по С), способность образования отложений.

В результате замерзания воды при низких температурах, давление на стенки в системе охлаждения может возрасти до 250 МПа, что приводит к разрушению ее элементов.

При установлении на пробке радиатора двух клапанов воздушного и парового, достигается герметизация системы охлаждения. Благодаря этому температура кипения воды в системе охлаждения несколько увеличивается (до 119⁰ С). Это, кроме того, позволяет увеличить температурный перепад в системе охлаждения и тем самым повысить эффективность теплообменных процессов. В результате можно снизить количество охлаждающей жидкости, уменьшить потребную поверхность радиатора, и сократить тепловые потери в охлаждающую жидкость.

Накипью называют плотные отложения, образующиеся на нагретых стенках системы охлаждения. Накипь состоит из выделившихся из воды солей калия и магния, взвешенных продуктов коррозии и механических загрязнений. Шламом называют илистые частицы и элементы разрушения накипи минерального или органического происхождения, скапливающиеся в застойных полостях рубашки охлаждения и в нижнем бачке радиатора.

Образование отложений в системе охлаждения ухудшает теплоотдачу стенок рубашки системы охлаждения до 40 %, так как накипь имеет низкую теплопроводность, и уменьшает сечение трубок радиатора и всех проходных сечений, как следствие двигатель перегревается. Отложения в системе охлаждения образуются в виде накипи и шлама.

Соли кальция и магния придают воде свойство, называемое жёсткостью воды, которое измеряется в мг-эквивалентах солей на 1 л воды. Принято считать атмосферную воду (дождь, снег) мягкой, озерную и речную средней, а ключевую и колодезную жесткой. Различают жёсткость временную, постоянную и общую.

Временная жёсткость характеризует содержание в воде в основном двух соединений - бикарбоната кальция Ca(HCO₃)₂ и бикарбоната магния Mg(HCO₃)₂. Эти соли находятся в воде только при наличии в ней некоторого количества свободной углекислоты. При кипячении свободная углекислота удаляется, а соли временной жёсткости распадаются на карбонаты, выпадающие в осадок, диоксид углерода улетучивается в атмосферу.

Таким образом, при кипячении бикарбонаты удаляются из воды, поэтому обусловленную их присутствием жёсткость называют временной, то есть устранимой. Перед заливкой воду можно прокипятить и заливать в радиатор после фильтрования. При отсутствии такой обработки соли временной жёсткости выпадают в накипь при первом же закипании в радиаторе. При этом происходит снижение временной жёсткости. Поэтому не следует часто менять воду в системе охлаждения.

Постоянная жёсткость определяется присутствием в воде более стойких солей: сульфаты (гипс CaSO₄, MgSO₄), хлориды (CaCl₂, MgCl₂), силикаты CaSiO₃, Mg SiO₃ и др. Эти соединения при кипячении не разлагаются и не выпадают в осадок, если их концентрация не превосходит предел насыщения. Такие условия создаются при испарении части воды. Гипс, в отличии от большинства минеральных солей, обладает отрицательной растворимостью при повышении температуры растворимость гипса в воде уменьшается и его избыток выпадает в виде накипи. Присутствие гипса в накипи придаёт ей прочность и жёсткость.

Общей жёсткостью называют сумму временной и постоянной жёсткости.

Воду средней и высокой жёсткости перед использованием в системах охлаждения рекомендуется «умягчать».

Простейший способ умягчения - кипячение воды с последующей фильтрацией.

Другой способ - добавление соды и гашеной извести, что приводит к выпадению в осадок соединений кальция и магния, с последующей фильтрацией.

Наиболее эффективный способ это фильтрация воды через катионитовые фильтры. Катиониты - вещества, способные вступать в ионообменную реакцию с растворёнными в воде солями. Они поглощают из воды ионы щелочноземельных элементов.

Снизить жёсткость воды можно так же путём её магнитной обработки. При прохождении воды через магнитное поле, растворённые в ней соли выделяются в виде хлопьев. Затем воду фильтруют.

Вещества, называемые антинакипинами, позволяют предотвратить образование накипи обработкой воды непосредственно в системе охлаждения. Их особенно необходимо добавлять в полевых условиях при отсутствии «мягкой» воды. Соли, находящиеся в воде, при добавлении антинакипинов, переходят в рыхлое состояние или удерживаются в виде перенасыщенного раствора. К антинакипинам относятся гексаметафосфат натрия (NaPO₃)₆, хромпик K₂Cr₂O₇, ортофосфат натрия Na₃PO₄*12H₂O и др.

Воду, предназначенную для системы охлаждения, необходимо предохранять от попадания в нее нефтепродуктов. Эти вещества уменьшают теплопроводность, кроме того, они вызывают вспенивание воды и её выброс из системы охлаждения.

Из системы охлаждения шлам можно удалить многократной поочерёдной промывкой водой и продувкой сжатым воздухом. Для удаления накипи используют растворы веществ, обеспечивающих разрушение нерастворимых в воде солей накипи. Соли временной жёсткости удаляют кислыми растворами. Соли постоянной жесткости - щелочными.

Все составы для удаления накипи, как и вода, оказывают коррозионное воздействие на металлы, особенно цветные.

Отложение накипи герметизирует систему охлаждения. Поэтому после её удаления, как правило, появляется течь в системе охлаждения.

При удалении накипи из системы охлаждения удаляют термостат, затем заливают раствор и выдерживают его в соответствии с инструкцией. После этого двигатель запускают и дают поработать 10…20 минут. После остановки двигателя раствор из него сливают и промывают систему охлаждения 2…3 раза водой. Для предотвращения коррозии промывку рекомендуется проводить 1 % раствором хромпика.

Антифризы.

Антифризы необходимо заливать в систему охлаждения двигателя при температурах окружающего воздуха ниже 0⁰ С, так как вода при низких температурах замерзает и в значительной степени увеличивает объём. В качестве антифризов используют смеси воды со спиртами, воды с глицерином, смеси углеводородов. Наибольшее распространение получили смеси на основе двухатомного спирта-этиленгликоля (СН₂ОН-СН₂ОН). Этиленгликоль - это прозрачная бесцветная вязкая жидкость без запаха. Кипит этиленгликоль при 197⁰ С, застывает - при - 11,5⁰ С. Однако смеси этиленгликоля с водой застывают при более низких температурах. Меняя соотношение воды и этиленгликоля, можно получить смеси с температурой застывания от 0 до - 70⁰ С. Понижение температуры замерзания, при увеличении количества воды, объясняется появлением гидрата этиленгликоля, обладающего низкой температурой застывания. Минимальная температура замерзания раствора - 73⁰ С при содержании 33 % воды. Дальнейшее увеличение количества воды ведёт к росту температуры замерзания.

В связи с тем, что этиленгликоль оказывает коррозионное действие на металлы, в состав антифризов вводят антикоррозионные присадки: 1г/л декстрина (для защиты алюминия, меди, свинцово-олового припоя), 2,5…3,5 г/л динатрийфосфата (для защиты стали, чугуна, латуни, меди). Для предотвращения вспенивания в состав антифриза вводят антипенные присадки.

При испарении водных растворов этиленгликоля пар содержат значительно больше воды, чем этиленгликоля. Поэтому в условиях эксплуатации от испарения теряется практически только вода.

Из-за большого коэффициента объёмного расширения, при нагревании до рабочей температуры объём этиленгликолевых жидкостей увеличивается на 6…8 %. При застывании объём образующейся кашеобразной массы увеличивается очень незначительно и размораживания системы охлаждения не происходит.

Характерные особенности этиленгликолевых антифризов:

1. Увеличение на 6…8 % объёма при рабочей температуре.

2. Теплопроводность, теплоёмкость и плотность антифризов при равных температурах примерно на 15 % ниже этих показателей для воды. Отсюда температурный режим двигателя, охлаждаемого антифризом, выше, чем при охлаждении водой.

3. Из-за более высокой температуры кипения и низкого давления насыщенных паров этиленгликоля по сравнению с водой при эксплуатации двигателя выкипает прежде всего вода. Поэтому при уменьшении жидкости в системе охлаждения из-за испарения необходимо добавлять воду.

4. Антифризы по сравнению с водой обладают более высокой подвижностью и проницаемостью. Поэтому к системе охлаждения с антифризом предъявляются более высокие требования по герметичности.

5. При замерзании антифризы образуют рыхлую массу с незначительным увеличением объёма. Поэтому механические повреждения систем охлаждения при замерзании антифриза исключены.

6. Антифризы разрушают детали, изготовленные из некоторых сортов резины.

Наибольшее распространение получили низкозамерзающие жидкости 40, 65, а так же тосолы А-40 и А-65. В других литературных источниках их обозначают ОЖ-40, ОЖ-65.

Жидкость марки 40 представляет собой смесь 53…56 % этиленгликоля и 44…47% воды и имеет температуру застывание не выше - 40⁰ С и плотность 1065…1085 кг/м³. Жидкость марки 65 содержит 64…66 % этиленгликоля и 34…36 % воды и имеет температуру застывание не выше - 65⁰ С и плотность 1085…1100кг/м³.

Иногда кроме вышеназванных присадок в жидкости добавляют молибденовокислый натрий, что улучшает их антикоррозионные свойства в отношении цинковых и хромовых покрытий. Такие антифризы имеют индексы 40М и 60М.

Кроме того, выпускают «Тосол-А» (ОЖ-К), представляющий собой концентрированный этиленгликоль с присадками и плотностью 1100…1150 кг/м³. Пользоваться им можно только после разведения дистиллированной водой. Смесь «Тосола-А» и воды в соотношении 1:1 имеет температуру начала кристаллизации - 35⁰ С.

Кроме «тосола» выпускают низкозамерзающую жидкость «Лена» с такими же характеристиками. «Тосол» имеет голубой цвет, «Лена» - жёлто-зелёный. Смешивать их при эксплуатации можно. Плотность низкозамерзающих жидкостей измеряют «гидрометром», показывающим плотность/температуру застывания.

С течением времени присадки в антифризе подвергаются распаду, вследствие чего качество антифриза ухудшается. Поэтому срок эксплуатации антифриза 2 года или 60 тыс. км пробега при интенсивной эксплуатации.

Этиленгликоль и его смеси токсичные вещества, при попадании в желудочно-кишечный тракт вызывают отравление с поражением центральной нервной системы и органов кровообращения.

Высококипящие охлаждающие жидкости.

Для охлаждения высокофорсированных двигателей используют жидкости, с температурами кипения выше ста градусов по Цельсию. Такие жидкости состоят из смеси высокомолекулярных спиртов, гликолей и эфиров, выкипающих при температуре 110 - 120 градусах по Цельсию. Их применение позволяет уменьшить тепловые потери в систему охлаждения и интенсифицировать процесс теплопередачи, что приводит к уменьшению поверхности радиатора и мощности, затрачиваемой на период насоса системы охлаждения. Так как температура кипения этиленгликоля 197 градусов по Цельсию, выпускаемые антифризы относятся к высококипящим охлаждающим жидкостям.