Влияние концентрации на температуру кристаллизации и прочие рабочие свойства теплоносителя

Климатические условия нашей страны предъявляют повышенные требования к устройству отопительных систем жилых и подсобных помещений, включая и возможность переносить отрицательные температуры. Если в жилищах с постоянным пребыванием людей в течение всего отопительного сезона поддерживается комфортный для жизни уровень тепла, то во вспомогательных постройках в отсутствие человека обогревательное оборудование отключают в целях экономии, а также чтобы избежать возникновения пожара. Для индивидуального строительства такой отопительный режим возможен в отдельно стоящих банях, мастерских, гаражах. К этой же категории относятся строения, где люди в холодное время года появляются периодически: загородные дома, дачи. Во всех таких случаях жидкостный контур отопления надо заполнять теплоносителем, не подверженным замерзанию при 0 °С. Чаще всего для этого применяют водно-гликолевые растворы. Их свойства прямо зависят от концентрации действующего вещества.

Ассортимент используемых антифризов

Хотя многие распространенные в промышленности химические вещества проявляют свойство переходить в твердое состояние при гораздо меньших температурах, чем вода, лишь несколько из них нашли применение в качестве теплоносителей для бытовых нужд. Многие из тех, что кажутся перспективными и даже востребованы как теплоагент в промышленных условиях, для использования в быту непригодны из-за серьезных недостатков.

Простые спирты. Имеют летучие пары, что исключает возможность работы в негерметичных системах, а также горючи при концентрации в водном растворе свыше 25 %.

Минеральные и синтетические масла. Они пожароопасны при попадании на открытое пламя. Имеют большую вязкость.

Глицерин. Не рекомендован из-за высокой вязкости, а также из-за способности при контакте с раскаленными металлическими деталями котла разлагаться с выделением акролеина – высокотоксичного вещества 2-го класса опасности. В Первую мировую войну акролеин использовали как отравляющий слезоточивый газ.

Фактическим стандартом на сегодня считаются две разновидности антифризов:

  1. Солевые растворы неорганических веществ, понижающих температуру замерзания воды.
  2. Водно-гликолевые смеси по ГОСТ 33341-2015 на основе многоатомных органических спиртов моно-, ди- и три-этиленгликоля, пропиленгликоля.

Особенности замерзания антифризов

Незамерзающие жидкости на основе водных растворов гликолей при понижении температуры ведут себя принципиально иначе, чем обычная вода. Если чистая вода превращается в лед в очень узком интервале температур (при 0 °С она еще жидкая, а при –1 °C уже в твердом состоянии), то антифризы характеризуются двумя показателями температур. Сперва в жидкости появляются лишь отдельные мелкие кристаллы. При дальнейшем понижении температуры количество этих кристалликов увеличивается, материал переходит в состояние шуги, сохраняя подвижность. Наконец, при еще более низкой температуре мелкие кристаллы смерзаются в общий массив, завершая затвердение раствора.

Обозначение температур. Первая точка на шкале носит название температуры начала кристаллизации, вторая – температуры застывания или потери текучести. В английской терминологии эти показатели называют соответственно freezing point и setting point (pour point). Важно знать, что в технической характеристике антифриза на западе принято указывать показатель frost protection («уровень защиты от замораживания»), который является средним между двумя крайними точками. Поэтому в инструкциях по эксплуатации и на этикетках импортных антифризов будет указана другая цифра температуры для полностью аналогичного отечественного состава.

Диапазон между началом и окончанием кристаллизации. Разница этих двух температур может достигать нескольких градусов и зависит от пропорции гликоля и воды в растворе. Например, состав с 45 % этиленгликоля начинает кристаллизоваться при –30 °C, а полное замерзание происходит при –38 °C. В промежутке между указанными температурами антифриз частично сохраняет рабочие свойства, несмотря на появление в нем мелкой твердой «крупы».

Объемное расширение при замерзании. Главным недостатком воды как теплоносителя считают даже не ее высокую температуру замерзания, а свойство при переходе в твердую фазу существенно увеличиваться в объеме (до 9 %). Это недопустимо для техники, поскольку неизбежно приводит к разрыву трубопроводов и других элементов инженерных систем. Водно-гликолевые растворы, переходя в твердое состояние, изменяют объем крайне незначительно. Так, 40%-ный раствор этиленгликоля при замерзании увеличивает объем лишь на 1,5 %, что соответствует линейному расширению 0,5 %. Это практически не наносит вреда отопительной системе.

Зависимость температуры кристаллизации от концентрации

График зависимости температуры начала замерзания от содержания этиленгликоля в растворе не является прямолинейным, а образует кривую линию с низшей точкой в районе 65 %. Справа и слева от этого значения температура замерзания растет. Так, для этиленгликоля технической чистоты (около 98 %) она составляет всего около -13 °C. Поэтому рабочим интервалом концентраций в промышленности считается диапазон от 25 до 65 % гликоля, дальнейшее повышение концентрации бессмысленно и невыгодно экономически. Таблица значений для этиленгликоля имеет следующий вид:

Концентрация, % Температура начала кристаллизации, °C Плотность антифриза, г/см3
65,3 -65 1,086
63,1 -60 1,083
58,0 -50 1,078
52,6 -40 1,071
45,6 -30 1,063
36,4 -20 1,051
26,4 -10 1,034

Растворы пропиленгликоля в воде проявляют очень близкие к указанным свойства.

Другие характеристики водно-гликолевых растворов

Кроме температурной зависимости начала замерзания, концентрация активного вещества в антифризах влияет еще на ряд важных эксплуатационных показателей.

Теплоемкость раствора. Является важным параметром, от которого зависит количество тепловой энергии, которую теплоагент способен передавать от источника в помещение. Для чистой воды эта величина составляет 4,2 кДж/кг К и практически не меняется при разных температурах. При росте концентрации гликоля в воде теплоемкость раствора снижается. Например, 50%-ный состав обладает меньшей способностью к переносу тепла, чем 20%-ный, однако его рабочий интервал температур шире.

Коэффициент объемного расширения. Вырастает при повышении концентрации гликоля.

Теплопроводность. Так же как и график замерзания, имеет вид кривой с максимумом в районе порядка 40 % гликоля. Такой раствор лучше всего проводит тепловую энергию, а при уменьшении или увеличении концентрации показатель снижается.