Рис. 1 - Зависимость плотности и температуры кристаллизации антифриза от содержания в нем воды.

Мдк 01.02
Тема 3.1: Жидкости для систем охлаждения.
Занятие 3.1.1: Назначение жидкостей для системы охлаждения. Эксплуатационные требования к качеству охлаждающих жидкостей: определенная вязкость, постоянство объема при нагревании и замерзании, высокая температура кипения, высокая теплоемкость и теплопроводность, стойкость против вспенивания, стабильность, не вызывать коррозии металлов, не разрушать резиновые изделия, не вызывать отложений, нетоксичность и непожароопасность. Вода. Низкозамерзающие жидкости. Марки и их применение.
Лекция
Назначение и требования к охлаждающим жидкостям
При сгорании топлива в двигателе часть тепла идет на нагрев стенок камеры сгорания и всего двигателя. При достижении критической температуры двигатель перегревается, при этом ухудшаются наполнение цилиндров и условия смазывания, появляется детонация, калильное зажигание, увеличивается расход топлива, снижается мощность двигателя. Для поддержания нормальной температуры двигатель охлаждают, используя для этого охлаждающие жидкости.
К охлаждающим жидкостям предъявляются следующие требования.
Охлаждающие жидкости должны иметь:
• высокую температуру кипения (во избежание образования паровых пробок и потерь жидкости);
• низкую температуру замерзания;
• высокую теплоемкость и теплопроводность;
• высокую химическую стабильность;
• высокую физическую стабильность.
Также они не должны вступать в реакцию с резиновыми деталями, вызывать коррозию металлов, образовывать капли. Кроме того, они должны быть нетоксичными и иметь низкую стоимость.
Вода при температурах выше нуля отвечает всем вышеперечисленным требованиям. Ее основные преимущества — экологичность, доступность, низкая стоимость. Низкая вязкость обеспечивает легкость циркуляции в системе охлаждения. Вода обладает большой теплоемкостью, следовательно, хорошо отводит теплоту от нагретых деталей двигателя. Однако имеются и недостатки:
• температура замерзания минус 4 °С;
• оказывает коррозионное воздействие на металлы;
• образует накипь на стенках внутренней полости рубашки охлаждения двигателя
Первый из недостатков наиболее серьезный, так как при замерзании вода увеличивается в объеме на 10 %, что может вызвать разрушение системы охлаждения двигателя. Поэтому в настоящее время воду заменяют специальными низкозамерзающими охлаждающими жидкостями.

Вода.
Вода как охлаждающая жидкость обладает определенными преимуществами. Вода имеет самую высокую удельную теплоемкость (4,19 кДж/кг·К), большую теплопроводность, оптимальную вязкость (ν₂₀= 1 мм²/с), большую теплоту испарения; она безопасна в пожарном отношении, нетоксична, дешева.
Однако, вода обладает и существенными недостатками, затрудняющими ее применение в системе охлаждения. При 0 ⁰С она замерзает со значительным увеличением объёма (примерно на 10 %). Это может вызвать разрушение системы охлаждения при температурах окружающего воздуха ниже 0 ⁰С, так как при этом на стенки блока цилиндров действует давление 250 МПа. Вода имеет сравнительно низкую температуру кипения, при температуре выше 90 ⁰С она интенсивно испаряется.
При использовании воды в качестве охлаждающей жидкости в системе образуется накипь, что обусловлено наличием в воде растворенных солей кальция и магния. Теплопроводность накипи приблизительно в 100 раз меньше, чем стали, поэтому обильная накипь нарушает тепловой режим работы двигателя вплоть до перегрева и связанных с ним аварийных поломок.
Соли кальция и магния, находящиеся в растворенном состоянии, придают воде свойства, называемые жесткостью. Чем выше содержание в воде солей кальция и магния, тем больше её жесткость. За единицу жесткости принимают моль на кубический метр (моль/м³). Различают жесткость временную (устранимую), постоянную (неустранимую) и общую. Временная жесткость обусловлена присутствием в воде гидрокарбоната кальция Сa(HCO₃)₂ и гидрокарбоната магния Mg(HCO₃)₂. Эти соли могут находиться в воде в растворенном состоянии только в присутствии свободной углекислоты. При кипячении воды свободная углекислота из неё удаляется, и гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются с образованием карбонатов, выпадающих в осадок. Постоянная жесткость обусловлена присутствием в воде сульфатов, хлоридов, силикатов кальция и магния. Эти соединения при кипячении не разлагаются и не выпадают в осадок, если их концентрация не превосходит предела насыщения.
В образовании накипи в системе охлаждения участвуют соли как временной, так и постоянной жесткости. Но больший вред приносят соли временной жесткости. При первом же закипании воды в системе охлаждения происходит выпадение карбонатов и образование накипи. При этом временная жесткость воды снижается. Соли постоянной жесткости участвуют в образовании накипи только после испарения части воды, т. е. когда их концентрация в воде превышает предел насыщения. Сумму временной и постоянной жесткости называют общей жесткостью.
Вода считается мягкой, если содержание солей кальция и магния в ней не превышает 3 моль/м³, средней жесткости – от 3 до 6 моль/м³, жесткой – более 6 моль/м³. В системе охлаждения двигателей необходимо использовать только мягкую воду. Воду средней или высокой жесткости перед использованием в системе охлаждения следует умягчить. Простейшим способом умягчения воды является её кипячение с последующим фильтрованием. Умягчение воды можно достичь её химической обработкой. Добавление соды, извести, тринатрийфосфата приводит к выпадению соединений кальция и магния в осадок. Весьма эффективным способом умягчения воды является фильтрование через катиониты. Катионитами называются вещества, которые способны обменивать свои катионы на катионы растворенных в воде солей, в результате чего накипь не образуется. Предотвращать образование накипи в системе охлаждения двигателя можно непосредственно вводом в систему специальных добавок, называемых антинакипинами. Действие антинакипинов сводится к предотвращению образования твердых отложений накипи на горячих поверхностях системы охлаждения. Достигается это за счет перевода солей, образующих накипь, в рыхлые осадки, а также за счет удержания таких солей в воде в виде пересыщенных растворов.
Низкозамерзающие охлаждающие жидкости
При эксплуатации современных автомобилей для охлаждения двигателя применяют низкозамерзающие жидкости, объединенные общим названием «антифризы». Наибольшее распространение имеют гликолевые низкозамерзающие жидкости, представляющие собой смеси этиленгликоля с водой. Реже встречаются жидкости, изготовленные на основе пропиленгликоля, смешивать которые с этиленгликолевыми не рекомендуется.
Этиленгликоль – двухатомный спирт СН₂ОН-СН₂ОН, представляет собой маслянистую бесцветную жидкость без запаха, имеет температуру кристаллизации минус 11,5 ⁰С и температуру кипения +197 ⁰С. Этиленгликоль в любых пропорциях смешивается с водой, но не смешивается с нефтепродуктами. С водой этиленгликоль образует так называемый эвтектический раствор, температура кристаллизации отдельных компонентов которого выше температуры кристаллизации раствора, состоящего из этих компонентов. Смешивая в различных пропорциях этиленгликоль с водой, можно получить смеси с температурами замерзания от 0 ⁰С до минус 75 ⁰С. С увеличением содержания этиленгликоля температура кристаллизации смеси повышается. Зависимость плотности и температуры кристаллизации антифриза от его состава представлены на рис. 1.
Состав низкозамерзающих этиленгликолевых антифризов определяется по их плотности пикнометром, ареометром, либо гидрометром, у которого вместо шкалы плотности имеется двойная школа, одновременно показывающая содержание этиленгликоля (в процентах) и температуру кристаллизации антифриза. Поскольку вода и этиленгликоль имеют разную плотность, а при их смешивании плотность изменяется аддитивно, оказалось возможным по измеренной плотности антифриза судить о его температуре застывания.

Определить температуру застывания антифриза можно по его плотности и показателю преломления. Зная коэффициент преломления антифриза, можно определить в нем содержание этиленгликоля:
С = (n -1) · 10³
где n – коэффициент преломления антифриза.
Этиленгликоль и его водные растворы обладают коррозионными свойствами, поэтому в низкозамерзающие жидкости вводят антикоррозионные присадки. Для предотвращения вспенивания добавляют противопенные присадки. В качестве присадок применяются декстрин, молибдат натрия, а также силикаты, нитраты, нитриты, бораты, фосфаты и амины.

Рис. 1 - Зависимость плотности и температуры кристаллизации антифриза от содержания в нем воды.

Отечественная промышленность выпускает различные марки антифризов на базе этиленгликоля. Из них наиболее широко применяются Тосол А–40 и Тосол А–65 с температурой застывания не выше минус 40 ⁰С и минус 65 ⁰С соответственно. Выпускается также концентрат Тосол А, который представляет собой чистый этиленгликоль с присадками и застывает при температуре минус 20 ⁰С. После разбавления его дистиллированной водой до соотношения 54% концентрата Тосола А и 46% воды получают Тосол А–40 с температурой застывания минус 40 ⁰С. В антифризы вводятся нейтральные красители, придающий концентрату Тосолу А и Тосолу А–40 голубой цвет, а Тосолу А 65 – красный. Применяются также антифризы марок Тосол АМ, Тосол А-40М, Тосол А–65М. Буква М в обозначении жидкостей означает «модифицированный», то есть обладающий улучшенными эксплуатационными свойствами.
Марку Тосола можно определить по его плотности при температуре 20⁰С, которая для Тосола А составляет 1,12–1,14 г/см³, для Тосола А–40 составляет 1,07–1,08 г/см³, для Тосола А–65 составляет 1,08–1,09 г/см³.
Присадки, содержащиеся в Тосоле, в процессе эксплуатации двигателя срабатываются, и качество жидкости ухудшается. Установлено, что Тосол надежно работает 2 года, а при интенсивной эксплуатации автомобиля – в течение 60 тыс. км пробега, после чего подлежит замене.
Охлаждающая жидкость «Лена» по составу аналогична Тосолу, но обладает улучшенными антикоррозионными свойствами. Выпускаются марки охлаждающей жидкости «Лена» с температурами замерзания минус 40 ⁰С и минус 65⁰С.

В последнее время появились антифризы нового поколения как альтернатива Тосолу. Они также представляют собой водные растворы этиленгликоля и отличаются от Тосола более совершенным пакетом присадок. Антифризы нового поколения имеют более длительный срок службы (до 5 лет), обладают высокими антикоррозионными свойствами, не образуют нерастворимых отложений. Принципиальным отличием всех антифризов нового поколения является новый пакет присадок на основе солей карбоновых кислот, который обеспечивает охлаждающим жидкостям уникальные свойства. Антифризы нового поколения способны эксплуатироваться в условиях повышенных температур, давлений и тепловых потоков, сохраняя свои свойства неизменными в течение длительного времени. Антифризы нового поколения совместимы с новыми и традиционными материалами, которые используются в двигателях и системах охлаждения. Они обеспечивают надежную защиту металлов от коррозии и кавитационного разрушения, не снижают теплопередающих свойств поверхностей металлов, не образуют нерастворимых отложений и гелеобразных фракций. Примеры – антифризы Cool Streаm, Coolant, Anti-frost.
Антифризы разных марок не следует смешивать между собой, даже если они имеют одну основу, так как в них могут содержаться не совместимые друг с другом присадки.
Требования к качеству низкозамерзающих охлаждающих жидкостей в нашей стране регламентируются ГОСТ 28084-89.
За рубежом антифризы также выпускаются как в виде концентратов, так и в виде готовых продуктов.
Концентрат MANNOL Antifreeze (SCT, Германия) на основе этиленгликоля работоспособен до температуры минус 75⁰С, защищает систему охлаждения от коррозии, накипи, отложений. Жидкость идеально работает в системах охлаждения автомобилей, оснащенных кондиционерами. Концентрат MANNOL Antifreeze разбавляется водой в пропорциях от 40 % до 70 % в зависимости от требуемой температуры замерзания.
Антифриз Kuhlerfrostschuts (JB German OIL, Германия) на этиленгликолевой основе обладает температурой замерзания до минус 53 ⁰С, содержит ингибиторы коррозии, обеспечивающие защиту всех конструкционных материалов, применяемых в двигателе. Антифриз соответствует требованиям производителей автомобилей Mercedes Benz, BMW, Porsche, General Motors, MAN и других.
Концентрат охлаждающей жидкости Anti-frost (BP, Великобритания) на основе моноэтиленгликоля предназначен для применения в бензиновых и дизельных двигателях легковых и грузовых автомобилей. Состав не содержит нитритов, аминов или фосфатов. В качестве оптимального рекомендуется соотношение концентрата и воды 1:1, т.е. 50 %. Состав имеет спецификации и одобрения SAE J-1034 (USA), ASTM D-3306 (USA), NF R 15-601 (France), BMW, Opel.

Антифриз Texaco Havoline Extented Life Antifreeze/ Coolant (Texaco Havoline, США) обеспечивает долговременную противокоррозионную защиту всех конструкционных материалов системы охлаждения, включая высокотемпературную защиту алюминия. Срок эксплуатации антифриза составляет 5 лет или 250 тыс. км пробега автомобиля. Состав имеет одобрение и рекомендован производителями автомобилей Ford, Chrysler, General Motors, Mercedes Benz, BMW, Renault и другими.
Антифриз Liqui Moly (Германия) предназначен для всех систем охлаждения, содержит пакет высокоэффективных присадок, не имеет в своем составе аминов, нитритов, фосфатов, кремнийорганических соединений.
Castrol ANTI-FREEZE NF- концентрат охлаждающей жидкости на основе этиленгликоля. Обладает низкой испаряемостью, препятствует образованию отложений. Специальные присадки предотвращают коррозию системы охлаждения. КонцентратCastrol ANTI-FREEZE NF совместим с другими марками этиленгликолевых охлаждающих жидкостей.
Все охлаждающие низкозамерзающие жидкости применяются всесезонно. При их использовании в системе охлаждения двигателя следует учитывать некоторые особенности. При испарении водных растворов этиленгликоля выделяющиеся пары всегда содержат значительно больше воды, чем этиленгликоля. В условиях эксплуатации от испарения теряется практически только вода, поэтому при естественном понижении уровня охлаждающей жидкости (без учета утечек) добавлять следует воду, лучше дистиллированную. Если же из системы охлаждения произошла утечка охлаждающей жидкости, то нужно добавить антифриз. Температура замерзания антифриза повышается не только при недостаточной, но и при избыточной концентрации этиленгликоля в составе раствора.
Охлаждающие жидкости на основе этиленгликоля имеют большой коэффициент объёмного расширения. При нагревании до рабочей температуры их объём увеличивается на 6-8 %. При застывании этиленгликолевых антифризов образуется рыхлая кашеобразная масса, объём которой увеличивается очень мало (приблизительно на 0,25 %), вследствие этого размораживания двигателя или радиатора не происходит.
Попадание бензина, масла и других нефтепродуктов в охлаждающую жидкость вызывает сильное пенообразование и выброс жидкости через пробку радиатора из системы охлаждения.
Низкозамерзающие жидкости имеют более высокую текучесть, чем вода, поэтому соединения патрубков охлаждающей системы двигателя должны обладать достаточной герметичностью.
Этиленгликоль – сильный пищевой яд, поэтому после контакта с охлаждающей жидкостью необходимо тщательно вымыть руки с мылом. Специальных мер защиты кожи и дыхательных путей при работе с низкозамерзающими жидкостями не требуется. Антифризы агрессивны к лакокрасочному покрытию автомобиля, поэтому при попадании антифриза на окрашенную поверхность его необходимо сразу же смыть водой.
Контрольные вопросы:
1. Назначение и требования к охлаждающим жидкостям.
2. Низкозамерзающие охлаждающие жидкости.
Руководитель занятия: ________________________ Катречко С.И.