Розділ 3. Експлуатаційні рідини

3.1. Холодильні рідини

1. Призначення холодильних рідин та вимоги до них.

2. Вода як холодильна рідина, її переваги та недоліки.

3. Низькозамерзаючі холодильні рідини, маркування та коротка характеристика.

4. Видалення накипу.

1. Призначення холодильних рідин та вимоги до них

Щоб забезпечити нормальний тепловий режим ДВЗ, необхідно в процесі його роботи постійно відводити тепло від найбільш нагрітих деталей. Залежно від типу двигуна, спо­собу охолодження, режиму роботи кількість відведеного теп­ла складає 15-35 % від загальної кількості тепла, що виділяється при згорянні робочої суміші. Відхилення від оптимальних теплових умов (як перегрівання, так і переохолодження) здатні значною мірою порушити нормальний режим роботи ДВЗ і навіть привести його в аварійний стан.

Охолодження двигуна може бути повітряним і рідинним. Най­більше поширення одержала рідинна система охолодження. Ефективність, надійність і довговічність роботи системи охоло­дження здебільшого залежать від властивостей холодильної рі­дини, тому вона повинна відповідати таким основним вимогам:

• мати високу теплоємкість, теплопровідність і відповідну в'язкість;

• бути дешевою і недефіцитною;

• мати високі температури кипіння і займання, низьку тем­пературу замерзання;

• не утворювати відкладень на деталях системи охолоджен­ня і не забруднювати її;

• не викликати корозії металевих виробів і не руйнувати гумові та пластмасові деталі, мати високу фізичну і хімічну ста­більність;

• не бути токсичною, вибухо- і пожежонебезпечною.

2. Вода як холодильна рідина, її переваги та недоліки

Поки що немає холодильної рідини, яка повністю відповідала б згаданим вимогам. Широке застосування в системах охолод­ження одержала вода, а при низьких температурах — низько-замерзаючі холодильні рідини. Моторні оливи і палива також можна віднести до категорії холо­дильних, оскільки крім основних своїх функцій, вони сприяють охо­лодженню вузлів і механізмів дви­гуна, а в ряді випадків їх викорис­товують для охолодження поршнів та інших деталей.

Воді як холодильній рідині до цього часу надається перевага: вона має високу теплоємкість, пожежо-безпечна і не токсична. Однак воді властиві суттєві експлуатаційні недоліки. Насамперед, висока температура замерзання (0 °С), що дуже затруднює її застосу­вання взимку. До того ж, при замерзанні вода збільшує свій об'єм на 10 % (рис. 5.1), тому при утворенні льоду в системі охолодження виникає тиск до 200-300 МПа, що обумовлює руй­нування її складових частин. Недостатньо висока температура кипіння призводить іноді до закипання води в системі охолодження, інтенсивного випаровування і внаслідок утворення парових "пробок" порушення її циркуляції. Цей недолік особ­ливо відчувається в жаркий період і в гористій місцевості. За­стосування закритої системи охолодження дозволяє підвищити температуру кипіння до 110-120 °С й усунути недолік.

Однією з найбільших вад води є її здатність утворювати накип на стінках деталей системи охолодження. Накип, маючи низьку теплопровідність (приблизно в 100 раз нижче чавуна), погіршує відведення тепла від стінок двигуна, порушуючи його тепловий ре­жим. Внаслідок чого при товщині шару накипу від 1,5 до 6 мм збільшується вит­рата палива на 9-20 % (рис. 5.2), оливи — на 15-40 %, а потужність двигуна по­нижується на 10-25 %.

Інтенсивність утворення накипу зале­жить від вмісту в воді розчинених солей, в основному кальцію і магнію, від чого за­лежить твердість води. Вона вимірюється в ммоль/кг. Вода, яка містить в 1 л 40,08 мг кальцію або 24,32 мг магнію, має твердість, що дорівнює одному мілімолю на кілограм.

Розрізняють тимчасову (карбонатну) і постійну (некарбо-натну) твердість. Тимчасова пов'язана з наявністю у воді бікарбо­натів кальцію та магнію, які при нагріванні води до 80 °С і вище розкладаються, утворюючи на стінках системи охолод­ження нерозчинний у воді накип у вигляді карбонатів кальцію і магнію.

Постійна твердість, пов'язана з наявністю у воді некарбонат-них солей — хлоридів і сульфатів кальцію та магнію — які не роз­кладаються при її нагріванні, а взаємодіючи з водою або з со­лями, що знаходяться в ній, утворюють щільний і твердий накип.

Сума тимчасової і постійної твердості складає загальну твер­дість або твердість води, за якою її і класифікують. Вода, яка має твердість до 1,5 ммоль/кг — м'яка, від 1,5 до 3 ммоль/кг — середньої твердості, від 3 до 4,5 ммоль/кг — тверда, більше 4,5 ммоль/кг — дуже тверда.

Застосування в системі охолодження твердої води небажано, дуже твердої недопустимо.

Найбільш м'якою і чистою є дощова і снігова (атмосферна) вода, що має твердість менше 0,02 ммоль/кг. Вона найкраще підходить для системи охолодження, хоч і має дещо підвищені корозійні властивості внаслідок розчинених у ній вуглекисло­го газу та кисню.

Вода рік, озер, ставків (поверхнева) найчастіше має невели­ку твердість від 0,25 до 2,5 ммоль/кг, тобто відноситься до води м'якої і середньої твердості. Накип майже не утворює, але забруднюється механічними і органічними домішками.

Вода з криниць та джерел (підземна) здебільшого буває твер­дою і дуже твердою, тому її не можна застосовувати в системі охолодження без попереднього обробітку (пом'якшення).

Розрізняють термічний та хімічний способи пом'якшення води. Найпростішим термічним способом пом'якшення є проварюван­ня її протягом 20-30 хв.; за цей час бікарбонати кальцію та магнію переходять у карбонати і випадають в осад, який потім вилуча­ють відстоюванням та фільтруванням, що дозволяє понизити тимчасову твердість до 0,5-0,75 ммоль/кг.

Технічно складніший спосіб — перегонка води (одержання дистильованої води), коли розчинні солі залишаються в пере­гінному кубі.

Хімічні способи пом'якшення побудовані на методі осаджен­ня солей або на катіонним. Обробка води содою (Na₂CO₃) або тринатрійфосфатом (Na₃ РО₄) з наступним фільтруванням дозволяє вилучати з неї солі тимчасової і постійної твердості, знизити загальну твердість. На кожний 1 ммоль/кг твердості 1 л пом'якшеної води необ­хідно додати 106 мг соди і 110 мг тринатрійфосфату. Залиш­кова твердість повинна бути не більше 0,5 ммоль/кг. Теплу (гарячу воду) перемішують з реагентом протягом 20-30 хв., відстоюють і фільтрують.

У промисловості широке застосування знайшов метод по­м'якшення води шляхом фільтрування через катіонітові філь­три, тобто речовини, які здатні вступати в реакцію з іонами кальцію та магнію. В ролі катіонітів використовують природні мінерали глауконіт або штучно приготовлені катіоніти, які на­зивають пермутитами. Залишкова загальна твердість при використанні катіонітових фільтрів має становити не більше 0,25-0,5 ммоль/кг.

Найпростішим, економічним і ефективним способом по­м'якшення води є магнітна обробка. Суть її полягає в про­пусканні води (не менше 6 разів) через магнітне силове поле в напрямку, перпендикулярному силовим лініям, в результаті чого солі, які знаходяться у воді, не утворюють накипу, а випадають у вигляді легкозмивного шламу. Крім того, під дією обробленої води руйнується раніше утворений накип. Для магнітної обробки води використовують апарати з постійним і електричним магнітами, вмонтованими у водопровідну ме­режу.

При вимушеному користуванні твердою водою утворення на­кипу можна зменшити додаванням присадок (антинакипінів), та­ких як хромпік (3-5 г на 1 л води), що переводить солі накипу в розчинний стан; гексаметафосфат натрію (0,3г на 1 л води), який утримує солі накипу в завислому стані. Використання антинакипінів безпосередньо в системі охолодження особливо зручно в польо­вих умовах експлуатації машин.