Охлаждающие жидкости

Охлаждающие жидкости

Детали двигателей внутреннего сгорания, например поршни, гильзы цилиндров, головка блока, непосредственно соприкасаются с продуктами сгорания топлива и сильно нагреваются во время работы, т.е. для двигателя необходимо охлаждать для обеспечения работоспособности.

Эффективность и надежность работы системы охлаждения двигателя в значительной степени зависят от качества применяемой охлаждающей жидкости.

Все охлаждающие жидкости должны удовлетворять следующим требованиям:

- эффективно отводить тепло (т. е. иметь большую теплоемкость и небольшую вязкость);

- иметь высокие температуру кипения и теплоту испарения;

- обладать низкой температурой кристаллизации;

- не образовывать отложений в системе охлаждения;

- не вызывать коррозии металлических деталей и не разрушать резиновые детали системы охлаждения;

- не вспениваться в процессе работы;

- быть пожаробезопасными и безвредными для здоровья.

Наиболее распространенной жидкостью, применяемой для охлаждения, является вода. Она имеет самую высокую теплоемкость 4,19 кДж/(кг·°С), большую теплопроводность, небольшую кинематическую вязкость (ν_20С = 1 мм²/с) и большую теплоту испарения. Вода почти всегда легко доступна, безвредна для человека и неогнеопасна.

Однако вода обладает и существенными недостатками, затрудняющими ее применение в качестве охлаждающей жидкости. При 0°С она замерзает, увеличиваясь в объеме примерно на 10 % и вызывая разрушение системы охлаждения при дальнейшем понижении температуры окружающего воздуха. При расширении же создается давление около 2500 кгс/см², которое может привести к самым серьезным повреждениям радиатора и системы охлаждения. Температура кипения воды также является недостаточно высокой для современных двигателей (рисунок 2).

При использовании воды в качестве охлаждающей жидкости образование отложений в системе охлаждения двигателя определяется в основном наличием растворенных в воде солей, образующих накипь, теплопроводность которой приблизительно в 100 раз меньше, чем теплопроводность стали. Отложения продуктов коррозии и накипи на охлаждаемых и теплорассеивающих поверхностях системы снижают теплоотвод от охлаждаемых деталей, вызывают их местный перегрев, увеличивают гидравлическое сопротивление системы и уменьшают нужную циркуляцию жидкости.

О количестве растворенных в воде солей можно судить по ее жесткости, единицей измерения которой является миллиграмм-эквивалент (мг-экв.). Мягкая вода содержит до 3 мг-экв. солей в 1 л, вода средней жесткости – от 3 до 6 мг-экв., а жесткая – более 6 мг-экв.

Целесообразно применять для охлаждения двигателя мягкую воду, не образующую накипь. При использовании для этих целей воды средней жесткости возникает необходимость не реже двух раз в год очищать систему охлаждения от образовавшейся накипи.

Применять жесткую воду следует после предварительного ее умягчения (кипячения, обработки известью и содой) или с добавлением противонакипных присадок (антинакипинов). Например, калиевый хромпик К₂Сг₂О₇ при концентрации его от 5 до 10 г в 1 л воды способен превращать содержащиеся в ней соли в вещества, не образующие накипи. Применению любого антинакипина должна предшествовать очистка системы охлаждения от образовавшейся ранее накипи .

В зимний период эксплуатации в системах охлаждения применяют низкозамерзающие охлаждающие жидкости – антифризы, являющиеся смесью этиленгликоля с водой.

Этиленгликоль (двухатомный спирт СН₂ОН—СН₂ОН, или С₂Н₄(ОН)₂) представляет собой маслянистую желтоватую жидкость без запаха с температурой кипения 197°С и температурой кристаллизации -11,5°С. Минимальное значение температуры замерзания смеси этиленгликоля с водой (-75°С) получают при концентрации этиленгликоля 66,7 % (рисунок 1).

Рисунок 1 – Зависимость плотности ρ при 20 ^оС (а) и температуры замерзания t_з антифризов от содержания в них воды (б)

Существенным недостатком низкозамерзающих жидкостей является также большой коэффициент объемного расширения, поэтому при использовании тосолов систему оснащают расширительным бачком.

Наличие в системе расширительного бачка обеспечивает постоянное и надежное до нормы заполнение системы охлаждающей жидкостью. При повышении температуры и соответствующем расширении жидкости излишний объем ее перетекает в расширительный бачок, при охлаждении – из бачка она уходит обратно в систему. Это исключает проникновение свежих порций воздуха в систему через воздушный клапан пробки радиатора, который вызывает повышенную коррозию радиатора и аэрацию жидкости, а также сброс ее через пароотводную трубку в открытых системах. Наличие воздуха снижает эффективность системы охлаждения и способствует возникновению кавитации в полостях водяного насоса и на поверхностях гильз цилиндров.

Этиленгликолевые антифризы имеют повышенную коррозионность по отношению к металлам и разрушают резину.

В состав антифризов вводят противокоррозионные присадки: декстрин-углевод типа крахмала (1 г на литр), предохраняющий от разрушения свинцово-оловянистый припой, алюминий и медь, и динатрий фосфат (2,5...3,5 г на литр), защищающий черные металлы, медь и латунь .

Иногда в простые антифризы вводят молибденовый натрий в количестве 7,5...8,0 г на литр, предотвращающий коррозию цинковых и хромовых покрытий на деталях системы охлаждения. При этом в обозначении антифриза добавляют букву М.

Антифриз марки 40, представляющий собой смесь 53% этиленгликоля и 47% воды, имеет температуру замерзания не выше -40 ^оС, а антифриз марки 65, содержащий 66% этиленгликоля и 34% воды, — не выше -65 ^оС. При температурах ниже указанных антифризы и тосолы превращаются в рыхлую массу и не разрушают систему охлаждения. Температура кипения антифризов также зависит от их состава и, кроме того, от давления в системе охлаждения (рисунок 2).

Рисунок 2 - Зависимость температуры кипения охлаждающих жидкостей от давления в системе охлаждения

При использовании антифризов надо иметь в виду, что в системе охлаждения в первую очередь испаряется вода, которую необходимо периодически доливать в радиатор.

Необходимо также следить за тем, чтобы в этиленгликолевые жидкости не попадали бензин и другие нефтепродукты, так как это вызывает вспенивание и выброс жидкости через пробку радиатора.

Срок службы охлаждающих жидкостей ограничивается. Опытным путем установлено, что «Тосол» надежно работает два года, а при интенсивной эксплуатации — в течение 60 тыс. км пробега.

Этиленгликоль — сильный пищевой яд, поэтому после контакта с ним необходимо тщательно мыть руки с мылом.

Таблица 1 – Сравнение жидкостей, применяемых в системах охлаждения двигателей автомобилей

Сравнительный анализ жидкостей, применяемых в системе охлаждения, приведен в таблице 1.Из приведенного анализа следует, что с точки зрения интенсивности отнятия теплоты от нагретых поверхностей вода – наиболее оптимальное рабочее тело. Однако благодаря значительной теплоемкости вода требует примерно в 2 раза больше теплоты на прогрев системы охлаждения, чем антифриз.