Как влияет содержание воды в смеси с этиленгликолем на температуру замерзания кратко

Обновлено: 09.07.2024

Этиленгликоль — маслянистая желтоватая жидкость без запаха, имеющая температуру кристаллизации -11,5 °С и кипения +197 °С. С водой этиленгликоль образует так называемый эвтектический раствор (рис.3.1), температура кристаллизации отдельных компонентов которого выше температуры кристаллизации раствора, состоящего из этих компонентов. Смешивая в различных пропорциях этиленгликоль с водой, можно получить смеси с температурой замерзания от 0 до -75 °С (при концентрации этиленгликоля около 66,7 %). С увеличением содержания этиленгликоля температура кристаллизации смеси повышается.

Состав низкозамерзающих этилен-гликолевых охлаждающих жидкостей определяют по их плотности (см. рис. 3.1) ареометром, либо гидрометром, у которого вместо шкалы плотности имеется двойная шкала, одновременно показывающая содержание этилен-гликоля (в процентах) и температуру кристаллизации антифриза.

Данные по влиянию концентрации этиленгликоля в смеси с водой на ее плотность и температуру замерзания приведены в табл. 3.1.

Рис.3.1. Зависимость плотности и температуры кристаллизации антифриза от содержания в нем воды

Таблица 3.1. Характеристики низкозамерзающих охлаждающих жидкостей (антифризов)

Концентрация Этиленгликоля,%	Плотность смеси, г/см 3	Температура замерзания,°С	Концентрация Этиленгликоля,%	Плотность смеси, г/см 3	Температура замерзания,°С
26.4	1,0340	-10	65,3	1,0855	-65
27,2	1,0376	-12	65,6	1,0860	-66
29,6	1,0410	-14	66,0	1,0863	-67
32,0	1,0443	-16	66,3	1,0866	-68
34,2	1,0480	-18	68,5	1,0888	-66
36,4	1,0506	-20	69,6	1,0900	-64
38,4	1,0533	-22	70,8	1,0910	-62
40,4	1,0560	-24	72,1	1,0923	-60
42,2	1,0586	-26	73,3	1,0937	-58
44,0	1,0606	-28	74,5	1,0947	-56
45,6	1,0627	-30	75,8	1,0960	-54
47,0	1,0643	-32	77,0	1,0973	-52
48,2	1,0663	-34	78,4	1,0983	-50
49,6	1,0680	-36	79,6	1,0997	-48
51,0	1,0696	-38	81,2	1,1007	-46
52,6	1,0713	-40	82,5	1,1023	-44
53,6	1,0726	-42	83,9	1,1033	-42
54,6	1,0740	-44	85,4	1,1043	-40
55,6	1,0753	-46	86,9	1,1054	-38
56,8	1,0766	-48	88,4	1,0660	-36
58,0	1,0780	-50	90,0	1,1077	-35
59,1	1,0790	-52	91,5	1,1987	-34
60,2	1,0803	-54	93,0	1,1096	-33
61,2	1,0813	-56	94,4	1,1103	-32
62,2	1,0823	-58	95,0	1,1105	-28
63,1	1,0833	-60	95,5	1,1107	-27
64,0	1,0843	-62	96,5	1,1110	-24
64,8	1,0850	-64	97,0	1,1116	-22

Данные плотности антифриза, указанные в табл. 3.1, соответствуют температуре окружающего воздуха +20 °С. Если температура этиленгликолевого антифриза отличается от +20 °С, то замеренную плотность t приводят к температуре I +20 °С по формуле

где: ρ₂₀ - плотность антифриза при температуре +20 ° С, г/см 3 (см. табл. 3.1);
ρ_t - плотность антифриза при температуре замера, г/см 3 ;
t - температура антифриза в момент замера плотности, °С;
γ - температурная поправка плотности этиленгликоля, которая на каждый градус равна 0,000525 г/см3.

Величина приведенной плотности 20 используется для определения состава антифриза и температуры его кристаллизации по табл. 3.1 или диаграмме (рис 3.1). При определении температуры кристаллизации по диаграмме заданное значение плотности ρ₂₀ откладывают на оси ординат диаграммы, а затем проводят горизонтальную линию до пересечения с кривой плотности 1. Перпендикуляр, опущенный из точки пересечения на ось абсцисс, определит состав этилен-гликолевого антифриза. Продолжив перпендикуляр вниз до пересечения с кривой температур кристаллизации 2, из точки пересечения проводят горизонтальную линию до оси ординат, по которой определяется температура кристаллизации данной смеси.

В процессе эксплуатации автомобиля плотность "этиленгликолевого антифриза может меняться как в большую, так и в меньшую сторону, что приводит к изменению температуры замерзания охлаждающей жидкости. Для приведения плотности антифриза к нормируемым показателям состав смеси корректируют путем добавления воды или этиленгликоля. Количество добавляемого компонента определяют по формулам:

при добавлении этиленгликоля V _ЭТ = (В_Ф -В_Н / В_Н )* V ;

где: V _ЭТ и V_B - количество добавляемого компонента соответственно этиленгликоля или воды, л;
V - объем смеси, подвергаемой коррекции, л;
В_Ф - фактическое содержание воды в корректируемом составе антифриза, %;
В_Н - необходимое содержание воды в составе смеси антифриза с требуемыми эксплуатационными характеристиками, %;
Э _Ф - фактическое содержание этиленгликоля в корректируемом составе антифриза, %;
Э _Н - необходимое содержание этиленгликоля в составе смеси антифриза с требуемыми эксплуатационными характеристиками, %.

Значения величин определяют по табл. 3.1 или диаграмме (рис. 3.1). Ввиду того, что смесь с заданной температурой кристаллизации может иметь на кривой кристаллизации две точки (см. рис. 3.1), соответствующие различным составам антифриза, но с одинаковой температурой, экономичнее приготовить смесь с большим содержанием воды.

При нагревании этиленгликоль и его водные растворы сильно расширяются. Для предотвращения выброса жидкости из системы охлаждения ее обычно заполняют на 92-94 % от общего объема.

Этиленгликолевые смеси (антифризы) агрессивны по отношению к металлам и резине, что вызывает необходимость применения соединительных шлангов из специальной резины. Для уменьшения агрессивности в состав антифризов вводят присадки

Автор: Шевырева Е.А., разработчик: Родионова И.В., исполнитель: Курин В.П.

Приведены данные по физическим свойствам водного раствора этиленгликоля, которые могут быть использованы при выполнении инженерных расчётов.

Плотность водного раствора этиленгликоля

Плотность смеси этиленгликоля и воды приведена в таблице для концентрации этиленгликоля от 10 процентов до 70 процентов по массе в диапазоне температур от 10 до 93 градусов Цельсия.

Теплопроводность смеси этиленгликоля с водой

Значения теплопроводности водного раствора этиленгликоля показаны в таблице для диапазона температур от 10 до 70 градусов Цельсия и концентрации от 10% до 70%. С увеличением концентрации этиленгликоля с 10% до 50% по массе теплопроводность раствора снижается примерно на 30%.

Теплоемкость водного раствора этиленгликоля

Оценочные значения теплоемкости водного раствора этиленгликоля приводятся в таблице для температур от 10 до 93 градусов Цельсия и концентраций этиленгликоля от 10 до 70 процентов. Теплоемкость 50-ти процентного раствора этиленгликоля примерно на 18 процентов меньше теплоёмкости воды.

Концентрация этиленгликоля по массе и по объёму в водном растворе

В таблице приведены соотношения концентрации этиленгликоля в водном растворе по массе и по объёму.

Температура кипения водного раствора этиленгликоля

Приведена диаграмма по температурам кипения водного раствора этиленгликоля в зависимости от его содержания по массе в процентах при давлении атмосферного воздуха 760 мм.рт.ст. С увеличением концентрации этиленгликоля с 10% до 50% по массе температура кипения раствора повышается всего лишь с 101,1 до 107,2 градуса Цельсия.

Сравнительная температура кипения смеси этиленгликоля с водой (при нормальном атмосферном давлении)

Вода (без содержания этиленгликоля) 100 o C

Вода (90%) + Этиленгликоль (10%) 101.1 o C

Вода (70%) + Этиленгликоль (30%) 104,4 o C

Вода (50%) + Этиленгликоль (50%) 107,2 o C

Этиленгликоль (60%) + Вода (20%) 110,0 o C

Этиленгликоль (90%) + Вода (10%) 140,6 o C

Этиленгликоль (95%) + Вода (5%) 158,3 o C

Температура замерзания водного раствора этиленгликоля

Приведена диаграмма по температурам замерзания водного раствора этиленгликоля в зависимости от его содержания по массе в процентах. Примечательно, что при концентрации этиленгликоля от 10% до 20% температура замерзания водного раствора понижается незначительно от -3,2 до -7,8 градуса Цельсия. С последующим доведением концентрации этиленгликоля до 50% температура замерзания раствора достаточно резко снижается до -33,8 градусов Цельсия. Это свойство этиленгликоля позволяет использовать его в технологических процессах в качестве теплоносителя с низкими значениями рабочих температур.

Сравнительная температура замерзания раствора этиленгликоля с водой

Вода (без добавки этиленгликоля) -1,0 o C

Вода (90%) + Этиленгликоль (10%) -3,2 o C

Вода (90%) + Этиленгликоль (20%) -7,8 o C

Вода (70%) + Этиленгликоль (30%) -14,1 o C

Вода (50%) + Этиленгликоль (50%) -33,8 o C

Этиленгликоль (60%) + Вода (40%) -48,5 o C

НИОКР в машиностроении

Инновационное импортозамещение

г. Коломна, Московская область
Россия, 140400

Содержание

Наша группа инженеров
Услуги
Результаты
Инженерные расчёты онлайн
Информация для инженеров
Статьи

Услуги и опытная продукция

Опытно-конструкторские работы
Инженерные расчёты и моделирование
Экспертиза и анализ
Расчёт, конструирование и модернизация торцевых уплотнений, изготовление опытных образцов
Обход патентов конкурентов
Погодозависимая автоматика отопления и горячего водоснабжения
Микропроцессорные устройств мониторинга и диагностики

© Copyright Шепелёв А.В & Шепелёв В.А. | Информация настоящего сайта защищена Гражданским кодексом РФ, а также другими международными законами. Копирование и/или использование любой части информации с настоящего сайта без указания прямой ссылки на него и без согласия авторов не допускается. Информация, опубликованная на настоящем интернет-ресурсе, не является публичной офертой, предоставлена по принципу "как есть", без каких-либо гарантий. Уточнённые инженерные расчеты и консультации, а также опытно-конструкторские работы, выполняются на договорных условиях.

Тема 10

Жидкости для систем охлаждения

Наряду с топливом, маслом и смазками в современных автомобилях широко используются технические жидкости (для охлаждения двигателей, обеспечения торможения и амортизации автомобилей во время движения, приведения в действие механизмов, силовых агрегатов и т.п.).

Технические жидкости должны отвечать многообразным и специфичным требованиям, поэтому для их приготовления используются многочисленные химические и синтетические соединения: гликоли, углеводороды, спирты, глицерин, эфиры и др.

В зависимости от назначения и свойств технические жидкости подразделяются на охлаждающие, тормозные, для гидравлических систем, амортизаторные и пусковые. Производятся также промывочные и очистительные жидкости — это этиловый спирт, очистители стекол, различные моющие средства и др.

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 ухудшается наполнение цилиндров и условия смазывания, появляется детонация, калильное зажигание, увеличивается расход топлива, снижается мощность двигателя. Для поддержания нормальной температуры двигателя его охлаждают, используя для этого охлаждающие жидкости.

К охлаждающим жидкостям предъявляются следующие требования:

— высокая температура кипения (во избежание образования паровых пробок и потерь жидкости);

— низкая температура замерзания;

— высокая теплоемкость и теплопроводность;

— высокая химическая и физическая стабильность;

— не вступать в реакцию с резиновыми деталями;

— отсутствие образования накипи;

— низкая стоимость и недефицитность;

— нетоксичность и пожаробезопасность.

При температурах выше нуля всем перечисленным требованиям отвечает вода, основными преимуществами которой являются безвредность, доступность, стоимость. Вязкость воды обеспечивает легкость ее циркуляции в системе охлаждения. Вода обладает большой теплоемкостью.

Использование воды в качестве охлаждающей жидкости

Наиболее распространенной жидкостью, применяемой для охлаждения, является вода. Она имеет самую высокую теплоемкость 4,19 кДж/(кг·°С), большую теплопроводность, небольшую кинематическую вязкость и большую теплоту испарения.

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 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. Отложение накипи в системе охлаждения (рис. 1) вызывает нарушение теплового режима работы двигателя, увеличение расхода топлива и масла.

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.

Рис. 1. Типичные места отложения накипи (7) и шлама (2) в системе охлаждения автомобильных двигателей

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 К₂Сr₂О₇ 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.
На рис. 2 приведена схема установки для умягчения жесткой воды.

Рис. 2. Схема стационарной катионитовой установки для умягчения жесткой воды:
1 - насос; 2 — катионитовый фильтр с сульфированным углем; 3 — мешалка для приготовления раствора поваренной соли; 4 — сборник умягченной воды

Низкозамерзающие жидкости

В современных автомобильных двигателях в качестве охладителя применяют низкозамерзающие охлаждающие жидкости, или антифризы.

Наибольшее распространение получили этиленгликолевые антифризы, представляющие собой раствор этиленгликоля в воде. Этиленгликоль — это двухатомный спирт СН₂ОН—СН₂ОН — бесцветная и без запаха жидкость, кипящая при температуре 197 °С и застывающая при -12 °С. Водные растворы этиленгликоля застывают при более низкой температуре. Так, раствор, содержащий 67 % этиленгликоля и 33 % воды, застывает при температуре —75 °С. Зависимости плотности и температуры застывания антифриза от его состава представлены на рис. 3 и 4.

Рис. 3. Зависимость температуры застывания водогликолевой жидкости от содержания в ней воды

Рис. 4. Зависимость плотности водогликолевой жидкости от содержания в ней воды

Отечественной промышленностью выпускаются следующие марки антифризов: простые антифризы — 40, 65, 40М, 65М; тосолы — Тосол А, Тосол А-40, Тосол А-65.

Тосолы отличаются от простых антифризов наличием противопенных и антифрикционных присадок. Цифра в марке антифриза показывает наивысшую температуру застывания.

Тосол А — концентрированный этиленгликоль с присадками. Для получения антифризов марок 40 или 65 его необходимо растворить в соответствующем количестве дистиллированной воды.

В антифризы вводят краситель.

Значения некоторых показателей антифризов представлены в табл. 3.1.

Определить температуру застывания антифриза можно по его плотности и показателю преломления. Зная коэффициент преломления антифриза, можно определить в нем содержание этиленгликоля:

С= n -1.334 * 10 3

где n — коэффициент преломления.

Таблица 1. Низкозамерзающие охлаждающие жидкости

Этиленгликоль — сильный яд, поэтому после контакта с ним необходимо тщательно вымыть руки.

При эксплуатации в первую очередь испаряется вода, это изменяет состав, а следовательно, и температуру застывания антифриза.

Температурный коэффициент объемного расширения у антифризов больше, чем у воды, поэтому заливать его следует на 5—8 % меньше, чем воды, или использовать в составе системы охлаждения расширительный бачок.

Нельзя допускать попадания в антифриз нефтепродуктов, так как в этом случае распадаются присадки.

Контрольные вопросы

1. Какие требования предъявляются к охлаждающим жидкостям?

2. Назовите особенности антифриза.

3. Как влияет содержание воды в смеси с этиленгликолем на температуру замерзания?

Основной проблемой установок, использующих воду, является проблема замерзания. Для снижения риска замерзания воды применяют водный раствор гликоля (антифриз) предохраняющий установку от воздействия отрицательных температур.

В торговом холоде (холодильные камеры, витрины) водный раствор гликоля можно применять в роли промежуточного хладоносителя. При этом температура такого хладоносителя иногда опускается гораздо ниже 0 С.

Если согласно проектному решению в установке используется промежуточный хладоноситель, созданный на основе водного раствора гликоля, то работа установки должна быть стабильной. На практике довольно часто встречаются случаи, когда самопроизвольно в воду добавляли гликоль, после чего вода приобретала другие свойства, что далеко не всегда положительно сказывалось на работе установке.

В наших примерах будем использовать 30% водный раствор этиленгликоля, защищающий установку от замерзания при температуре −16 С.

Соединение воды и гликоля дают нам более высокую плотность

Известно, что плотность воды равна единице. Так 30% раствор гликоля при 20 С будет иметь плотность 1,043, а при −10 С – 1,052. Для того чтобы быстрее понять значение плотности, представим, что вместо воды в нашем контуре ртуть, плотность которой 13,6. Теперь предположим, каким должен быть расход? (рис.99.1).

Соединение воды и гликоля дают нам более высокое значение коэффициента температурного расширения

Нам известно, что для контура с водным раствором гликоля обязательно нужно предусматривать расширительный бак, причем его объем должен быть на 25-30% больше, чем у обычных.

Соединение воды и гликоля более склонны к утечкам

Если контур герметичен для воды, то это не значит, что он будет также герметичным и для водного раствора гликоля (резьбовые соединения особо склонны к утечкам). В контурах с резьбовыми соединениями, предназначенные для использования гликолевых растворов, необходимо стыки уплотнять не паклей, а тефлоновым волокном. Лучшим способом остается замена резьбовых соединений на паяные. Наиболее чувствительными к утечкам являются те установки, которые переоборудуют под гликолевые растворы.

Так, в некоторых странах гликолевые растворы приравнивают к хладагентам, и их выброс преследуется соответствующими законами об охране окружающей среды. Их запрещено сливать в канализацию, и следует отправлять на утилизацию.

Соединение воды и гликоля обладает низкой удельной теплоемкостью

Удельная теплоемкость воды составляет 4,18 кДж/кг*К, а 30% водного раствора гликоля 3,7 кДж/кг*К при равной температуре. Из этого следует, что при прохождении через испаритель раствора теплоотдача будет на 12% меньше, чем от воды.

При высокой удельной теплоемкости жидкости, теплообмен происходит эффективнее. Она позволяет уменьшать расход в контуре и применять трубопроводы меньшего сечения. При переходе от воды к гликолевому раствору для сохранения перепада температур 5 К на испарителе или воздухоохладителе необходимо повысить на 12% расход раствора относительно расхода воды.

Соединение воды и гликоля обладает более высокой вязкостью

Вязкость является причиной повышения трения во время прохождения гликолевого раствора по трубопроводу. Он как бы липнет к поверхностям труб и теплообменных аппаратов. При понижении температуры проблема стоит более остро.

Дело в том, что при понижении температуры, гликолевый раствор становится более вязким, что делает его липким (рис.99.2). В результате потери давления увеличиваются, причем для всех элементов контура. В некоторых случаях потери становятся весьма значительными.

Читайте также: