Влияние концентрации на температуру кристаллизации и прочие рабочие свойства теплоносителя

Обычная вода обладает такими теплофизическими свойствами, которые позволяют отнести ее к идеальным теплоносителям. Это высокая теплопроводность и теплоемкость, оптимальная вязкость, невысокая цена. Все вышеперечисленные преимущества перекрываются следующими недостатками: высокой температурой кристаллизации, высоким коэффициентом объемного расширения, коррозионной активностью. Именно по этим причинам в системах промышленного кондиционирования и на объектах с автономными системами отопления важно применять рабочие жидкости с температурой замерзания заметно ниже нуля. Такими свойствами обладают только низкотемпературные теплоносители – антифризы.

1.1.Что может выступать в качестве антифриза?

За последние годы рынок промышленных теплоносителей с низкими температурами кристаллизации заметно расширился. С него практически исчезли неэффективные и небезопасные составы (наиболее яркий пример – глицерин, который обладает большей вязкостью (в сравнении с МЭГ) и выделяет предельно токсичное соединение - акролеин). Эти продукты вытеснили высокотехнологичные гликолевые антифризы с пакетом антикоррозионных присадок.

Каждый из составов, выпускаемых отечественными или зарубежными производителями, имеет ряд особенностей и отличительный свойств, но все они базируются на одной основе – водном растворе этилен- или пропиленгликоля. Они обладают следующими теплофизическими свойствами:

• Теплопроводность и теплоемкость раствора гликоля ниже, чем у воды, причем показатель уменьшается со снижением рабочей температуры в отрицательной зоне на 20 %.
• Динамическая и кинематическая вязкость в сравнении с водой выше в 4-5 раз в зоне положительных рабочих температур и в 10-15 раз выше при понижении температуры до порога кристаллизации. В отличие от воды, раствор гликоля не образует прочную кристаллическую решетку, а переходит в вязкое, кашеообразное состояние.

Вышеперечисленные факторы могут привести к возникновению непредвиденных и исключительных ситуаций при эксплуатации инженерных систем в условиях резкой смены климатического режима. По этой причине важно учитывать все нюансы как при проектировании систем промышленного кондиционирования и охлаждения, так и при выборе концентрации антифриза.

1.2.Концентрация раствора этиленгликоля и рабочие параметры его водной смеси

Ключевой теплофизический параметр рабочей смеси на основе водно-гликолевой смеси – это зависимость температуры кристаллизации раствора от его концентрации. Данная зависимость не носит линейный характер. Так, предельно низкая температура замерзания раствора (65 градусов ниже нуля) наблюдается при объемной концентрации раствора в 65 %. По мере повышения концентрации до 98 % увеличивается и температура замерзания. У практически чистого этиленгликоля (98 %) она составляет 13 градусов ниже нуля. С экономической точки зрения нецелесообразно производить и тем более применять водные растворы этиленгликоля с объемной концентрацией свыше 65 %.

Незначительное уменьшение концентрации гликоля с одной стороны, влечет за собой повышение температуры замерзания, а с другой – улучшает эксплуатационные характеристики раствора – теплопроводность и теплоемкость. Менее концентрированный раствор обладает уменьшенной вязкостью, что улучшает прокачиваемость жидкости и снижает нагрузки на конструкционные узлы системы.

1.3.Зависимость температуры замерзания раствора пропиленгликоля от его концентрации в растворе

При анализе свойств раствора пропиленгликоля наблюдается аналогичная картина: нелинейный характер зависимости, которая выражается в изменении температуры замерзания с повышением концентрации в растворе. Практический минимум в 58 градусов ниже нуля наблюдается при концентрации в 70 %. С ее увеличением температура кристаллизации раствора резко не увеличивается, а остается практически неизменной. В связи с этим использовать раствор пропиленгликоля более высокой концентрации, чем 70 %, экономически невыгодно, что отражается и на объемах производства в России и других странах мира.

Водный раствор пропиленгликоля с концентрацией 45 % имеет температуру кристаллизации 30 градусов ниже нуля, что достаточно для использования в регионах с умеренным климатом. Теплофизические характеристики смеси приведены в таблице

1.4.Выбираем оптимальную концентрацию

При выборе антифриза необходимо учитывать описанный ранее нелинейный характер зависимости между объемной концентрацией основного вещества в растворе и температурой его замерзания. Оптимальный вариант – это обеспечение максимальной отрицательной рабочей температуры с запасом примерно в 3 градуса. Если не брать в качестве примера единичные промышленные объекты с особыми условиями эксплуатации, то максимально допустимая концентрация основного вещества в гликолевых тепло- и хладоносителях для реальных климатических систем имеет строгие пределы. Они устанавливаются с учетом влияния температуры кристаллизации на эксплуатационные характеристики инженерного оборудования:

• Для этиленгликолевых антифризов – 65 %-ый раствор с температурой начала кристаллизации 65 градусов ниже нуля;
• Для пропиленгликолевых антифризов – 55 %-ый раствор с температурой замерзания 40 градусов ниже нуля.

Статистика показывает, что в условиях ЦФО РФ с его умеренным климатом около 25 % промышленных объектов ориентируются на температуру кристаллизации в – 25 градусов, а 75 % объектов и инженерных систем – на – 30 градусов.

Если выбирать между антифризами на основе растворов этилен- и пропиленгликоля, то этиленгликолевые составы более теплопроводны и теплоемки, что позволяет использовать радиаторы и теплообменники меньшего размера. Этиленгликоль имеет меньшую вязкость, которая снижает гидродинамические потери оборудования, но в силу токсичности обладает ограниченной сферой применения. Пропиленгликоль примерно в полтора раза дороже, имеет большую вязкость, зато полностью безопасен, что делает возможным применение антифризов на его основе в медицинских учреждениях и на пищевых производствах.