Тема 4. Технічні рідини та антикорозійні матеріали.

1. РІДИНИ ДЛЯ СИСТЕМ ОХОЛОДЖЕННЯ ДВИГУНІВ

1.1. Призначення та основні вимоги до охолоджувальних рідин

1.2. Використання води у якості охолоджувальної рідини

         1.3. Низькозамерзаючі охолоджувальні рідини  

1.1. Призначення та основні вимоги до охолоджувальних рідин

При спалюванні палива в двигуні частина тепла йде на нагрів стінок камери згоряння та всього двигуна. При досягненні критичної температури двигун перегрівається, при цьому погіршується наповнення циліндрів та умови мащення, з’являється детонація, калильне запалювання, збільшується витрата палива та знижується потужність двигуна. Для підтримування нормальної температури двигуна його охолоджують, використовуючи для цього охолоджувальні рідини.

До охолоджувальних рідин висувають наступні вимоги:

– висока температура кипіння (щоб запобігти утворення парових пробок та втрат рідини);

– висока теплоємність та теплопровідність;

– висока хімічна та фізична стабільність;

– корозійна пасивність;

– не вступати в реакцію з гумовими деталями;

-оптимальна в’язкість;

– відсутність утворення накипу;

– низька вартість та недефіцитність;

– висока температура кипіння

– нетоксичність та пожежобезпечність.

При температурах вище нуля всім перерахованим вимогам відповідає вода, основними перевагами якої є нешкідливість, доступність, низька вартість. В’язкість води забезпечує легкість її циркуляції в системі охолодження. Вода володіє великою теплоємкістю. Поки ще немає охолоджувальної рідини, яка повністю відповідала б даним вимогам. Широке застосування в системах охолодження двигунів одержала вода, а при низьких температурах – низькозамерзаючі охолоджувальні рідини.

1.2. Використання води у якості охолоджувальної рідини

Найбільш розповсюдженою рідиною, що використовується для охолодження, є вода. Вона має саму високу теплоємкість 4,19 кДж/(кг⋅ 0 С), більшу теплопровідність, невелику кінематичну в’язкість ( 0 1 20 = C ν мм 2 /с) та більшу теплоту випаровування. При використанні води в якості охолоджувальної рідини утворення відкладень в системі охолодження двигуна визначається в основному наявністю розчинених у воді солей, що утворюють накип. Використовувати технічну воду слід після попередньої її пом’якшення (кип’ятіння, обробки вапном та содою) або з добавленням протинакипних присадок (антинакипинів). Наприклад, калієвий хромпік К2Cr2О7 при концентрації його від 5 до 10 г в 1 л води здатний перетворювати солі у речовини, що не утворюють накип. Використання любого антинакипина повинна випереджати очищення системи охолодження від утвореної раніше накипи.

Вода, як охолоджувальна рідина має переважне застосування, оскільки недефіцитна, має високу теплоємкість, пожежобезпечна і нетоксична. Однак їй властиві суттєві експлуатаційні недоліки. Це – низька температура замерзання (00 С), що дуже ускладнює її застосування взимку. До того ж при замерзанні вода збільшує свій об’єм на 10 % тому при утворенні льоду в системі охолодження виникає тиск до 200…300 МПа, що призводить до поломок двигуна і радіатора.

Низька температура кипіння веде іноді до закипання води в системі охолодження, інтенсивного випаровування і припинення циркуляції, внаслідок утворення парових пробок. Цей недолік води виявляється перш за все у жаркий періоді в гористій місцевості. Застосування закритої системи охолодження дозволяє підвищити температуру кипіння до 110…1200 С.                                                                    Одним з найбільших недоліків води є здатність утворювати накипи на стінках деталей системи охолодження. Накип, маючи низьку теплопровідність (приблизно в 100 раз нижче чавуну), 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. 3.3), масла – на 15…40%, а потужність двигуна знижується на 10…20%.

Інтенсивність утворення накипу залежить від вмісту в воді розчинних солей, в основному кальцію і магнію, що характеризується твердістю води. Твердість води вимірюється в міліграмеквівалент на 1л (мг-екв/л). Вода, яка містить в 1 л 20,04 мг кальцію або 12,16 мг магнію має твердість, що дорівнює одному міліграм-еквіваленту. Розрізняють тимчасову (карбонатну) і постійну (некарбонатну) твердість. Тимчасова твердість пов’язана з наявністю у воді бікарбонатів кальцію та магнію, які при нагріванні води до 800 С і вище розкладаються, утворюючи на стінках системи охолодження нерозчинну у воді накип у вигляді карбонатів кальцію і магнію. Постійна твердість пов’язана з наявністю у воді некарбонатних солей: хлоридів і сульфатів кальцію та магнію, які не розкладаються при її нагріванні, а взаємодіючи з водою або солями, що знаходяться в ній, утворюють щільну і тверду накип. Сума тимчасової і постійної твердості складає твердість або загальну твердість води, за якою її класифікують. Вода, яка має твердість до 3 мг-екв/л – м’яка, від 3 до 6 – середньої твердості, від 6 до 9 – тверда, більше 9 мк-екв/л – дуже тверда. Застосування в системі охолодження твердої води не бажано, дуже твердої – недопустимо. Найбільш м’якою та чистою є дощова і снігова (атмосферна) вода, яка має твердість менше 0,04 мг-екв/л. Ця вода найкраще підходить для системи охолодження, хоч і має дещо підвищені корозійні властивості внаслідок розчинених вуглекислого газу і кисню. Вода рік, озер, ставків (поверхнева) найчастіше має невелику твердість від 0,5 до 5,0 мг-екв/л, тобто відноситься до води м’якої і середньої твердості. Накип майже не утворюється, але буває забруднена механічними і органічними домішками. Вода з колодязів і джерел (підземна) частіше всього буває тверда і дуже тверда, тому її не можна застосовувати в системі охолодження без попередньої підготовки (пом’якшення). Розрізняють термічний та хімічний способи пом’якшення води. Найпростішим термічним способом пом’якшення води є кип’ятіння її 20…30 хв, протягом цього часу бікарбонати кальцію та магнію переходять у карбонати и випадають в осад, який потім вилучають відстоюванням та фільтруванням. Це дозволяє знизити тимчасову твердість до 1,0…1,5 мг-екв/л. Технічно складніший спосіб – перегонка води (одержання дистильованої води), коли розчинні солі залишаються в перегонному кубі. Хімічні способи пом’якшення побудовані на методі осадження солей або катіонному обміні. Обробка води содою Na2CO3 або тринатрійфосфатом Na3PO4 з наступним фільтруванням дозволяє вилучати з неї солі тимчасової і постійної твердості, знизити загальну твердість. На кожний 1 мг-екв/л твердості 1 л пом’якшеної води необхідно додати 53 мг соди і 55 мг тринатрійфосфату. Теплу (гарячу) воду перемішують з реагентом протягом 20…30 хв, відстоюють і фільтрують. У промисловості широке застосування знайшов метод пом’якшення води фільтруванням через катіонові фільтри, тобто речовини, які здатні вступати в реакцію з іонами кальцію і магнію. Як катіони використовують природні мінерали глауконіт або штучно виготовлені катіоніти, які називають пермутитами. Залишкова загальна твердість при використанні катіонітових фільтрів не більше 0,5…1,0 мг-екв/л. 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 легкозмиваючого шламу. Крім того, під дією магнітного поля в обробленій воді руйнується раніше утворений накип. Для магнітної обробки води використовують апарати з постійним і елек-тричним магнітами, вмонтованим у водопровідну мережу.

1.3. Низькозамерзаючі охолоджувальні рідини

В зимовий період експлуатації в системах охолодження двигунів використовують низькозамерзаючі охолоджувальні рідини – антифризи, що є сумішшю етиленгликоля з водою. Етиленгликоль (двохатомний спирт СН2ОН – СН2ОН, або С2Н4(ОН)2) являють собою маслянисту жовтувату рідину без запаху з температурою кипіння 1970 С та температурою кристалізації –11,50 С. Мінімальне значення температури замерзання суміші етиленгликоля з водою (- 750 С) отримують при концентрації етиленгликоля 66,7 %. Етиленгликоль та його водні розчини при нагріванні сильно розширюються. Щоб запобігти викид суміші, її не доливають в систему охолодження на 6…8% від загального об’єму. Етиленгликолеві антифризи мають підвищену корозійність по відношенню до металів та руйнують гуму. В склад антифризів вводять противокорозійні присадки: декстрин – вуглець типу крохмалю (1 г на літр), що зберігає від руйнування свинцево-олов’янистий припой, алюміній та мідь, і динатрій фосфат (2,5…3,5 г на літр), що захищують чорні метали, мідь і латунь.

Вперше для автомобілів ВАЗ в нашій країні був випущений антифриз “Тосол”, що містить протикорозійні, антипінну та антифрикційні присадки. “Тосол” виробляється трьох марок: АМ, А-40 і А-65М.

Іноді в прості антифризи вводять молібденовий натрій в кількості 7,5…8,0 г на літр, що запобігає корозії цинкових та хромових покрить на деталях системи охолодження. При цьому в позначенні антифризу добавляють літеру М. Вітчизняна промисловість випускає прості та дешеві антифризи марок 40 і 65 М (ГОСТ 159-52). Антифризи марки 40, що являють собою суміш 56% етиленгликоля та 44% води, мають температуру замерзання нище –400 С, а антифриз марки 65М, що містить 64% етиленгликоля та 36% води, –650 С. З 1988 року випускається антифриз “Лена” трьох марок: ОЖ-К, ОЖ-40 та ОЖ-65. Оскільки антифризи різняться за рецептурою, змішувати різні марки між собою не слід. При використанні антифризів слід мати на увазі, що в системі охолодження в першу чергу випаровується вода, яку необхідно періодично доливати в радіатор. Необхідно також слідкувати за тим, щоб в етиленгликолеві рідини не потрапляли бензин та інші нафтопродукти, тому що це викликає вспінення та викид рідини через пробку радіатора. Строк служби охолоджувальних рідин обмежується. Дослідним шляхом встановлено, що “Тосол” надійно працює два роки, а при інтенсивній експлуатації – протягом 60 тис.км пробігу. Етиленгликоль – сильна харчова отрута, тому після контакту з ним необхідно ретельно вимити руки з милом. При експлуатації в першу чергу випаровується вода, це змінює склад, а отже, і температуру застигання антифризу. Температурний коефіцієнт об’ємного розширення у антифризів більший, ніж у води, тому заливати його слід на 5…8% менше, чим води, або використовувати в системі охолодження розширювальний бачок. Неможливо допускати потрапляння в антифриз нафтопродуктів, тому що в цьому випадку розпадаються присадки.