Płyn przeciw zamarzaniu

Płyn niezamarzający to dodatek obniżający temperaturę zamarzania płynu na bazie wody. Mieszanka płynu niezamarzającego służy do obniżenia temperatury zamarzania w zimnych środowiskach. Powszechne środki przeciw zamarzaniu zwiększają również temperaturę wrzenia cieczy, umożliwiając wyższą temperaturę chłodziwa. Jednak wszystkie popularne dodatki do środków zapobiegających zamarzaniu mają również mniejszą pojemność cieplną niż woda i zmniejszają zdolność wody do działania jako czynnik chłodzący po dodaniu do niej.

Ponieważ woda ma dobre właściwości jako chłodziwo, woda z płynem niezamarzającym jest stosowana w silnikach spalinowych i innych zastosowaniach związanych z przenoszeniem ciepła, takich jak agregaty chłodnicze HVAC i słoneczne podgrzewacze wody . Celem płynu niezamarzającego jest zapobieganie pęknięciu sztywnej obudowy w wyniku rozszerzania się, gdy woda zamarza. W handlu zarówno dodatek (czysty koncentrat), jak i mieszanina (roztwór rozcieńczony) nazywane są środkiem przeciw zamarzaniu, w zależności od kontekstu. Uważny dobór środka zapobiegającego zamarzaniu pozwala na uzyskanie szerokiego zakresu temperatur, w których mieszanina pozostaje w fazie ciekłej , co ma kluczowe znaczenie dla efektywnego przekazywania ciepła i prawidłowego funkcjonowania wymienników ciepła . Należy również zauważyć, że większość, jeśli nie wszystkie, dostępne na rynku preparaty przeciw zamarzaniu przeznaczone do zastosowań związanych z przenoszeniem ciepła zawierają różnego rodzaju środki zapobiegające korozji i kawitacji, które chronią układ hydrauliczny przed postępującym zużyciem.

Zasady i historia

Woda była pierwotnym płynem chłodzącym do silników spalinowych. Jest tani, nietoksyczny i ma wysoką pojemność cieplną. Ma jednak zakres cieczy tylko 100 ° C i rozszerza się po zamrożeniu. Problemy te rozwiązuje się poprzez opracowanie alternatywnych chłodziw o ulepszonych właściwościach. Punkty zamarzania i wrzenia to koligatywne właściwości roztworu, które zależą od stężenia rozpuszczonych substancji. Stąd sole obniżają temperaturę topnienia roztworów wodnych. Sole są często używane do odladzania , ale roztwory soli nie są używane do układów chłodzenia, ponieważ powodują korozję metali. Związki organiczne o niskiej masie cząsteczkowej mają zwykle temperaturę topnienia niższą niż woda, co czyni je odpowiednimi do stosowania jako środki zapobiegające zamarzaniu. Skuteczne są wodne roztwory związków organicznych, zwłaszcza alkoholi . Alkohole, takie jak metanol, etanol, glikol etylenowy itp., są podstawą wszystkich płynów przeciw zamarzaniu od czasu ich wprowadzenia na rynek w latach dwudziestych XX wieku.

Użycie i występowanie

Zastosowanie w samochodach i silnikach spalinowych

Fluorescencyjny płyn niezamarzający w kolorze zielonym jest widoczny w zbiorniku wyrównawczym chłodnicy po zdjęciu korka chłodnicy samochodu

Większość silników samochodowych jest chłodzona „wodą” w celu odprowadzania ciepła odpadowego , chociaż „woda” jest w rzeczywistości mieszaniną wody i płynu niezamarzającego. Termin płyn chłodzący silnik jest szeroko stosowany w przemyśle motoryzacyjnym , który obejmuje jego podstawową funkcję konwekcyjnego przenoszenia ciepła w silnikach spalinowych . W kontekście motoryzacyjnym inhibitory korozji , aby pomóc chronić chłodnice pojazdów , które często zawierają szereg metali niekompatybilnych elektrochemicznie ( aluminium , żeliwo , miedź , mosiądz , lutowie itp.). Dodaje się również smar do uszczelnienia pompy wodnej.

Środek zapobiegający zamarzaniu został opracowany w celu przezwyciężenia wad wody jako płynu przenoszącego ciepło .

Z drugiej strony, jeśli płyn chłodzący silnika stanie się zbyt gorący, może się zagotować wewnątrz silnika, powodując powstawanie pustek (kieszeni pary), co prowadzi do miejscowych gorących punktów i katastrofalnej w skutkach awarii silnika. Gdyby zwykła woda była używana jako płyn chłodzący silnik w północnym klimacie, doszłoby do zamarznięcia, powodując znaczne wewnętrzne uszkodzenia silnika. Ponadto zwykła woda zwiększyłaby częstość występowania korozji galwanicznej . Właściwy płyn chłodzący silnik i układ chłodzenia pod ciśnieniem eliminują te wady wody. Przy odpowiednim płynie niezamarzającym płyn chłodzący silnik może tolerować szeroki zakres temperatur, na przykład od -34 °F (-37 °C) do +265 °F (129 °C) dla 50% (objętościowo) glikolu propylenowego rozcieńczonego wodą destylowaną wodą i układem chłodziwa pod ciśnieniem 15 psi .

Wczesnym środkiem przeciw zamarzaniu płynu chłodzącego silnik był metanol (alkohol metylowy). Glikol etylenowy został opracowany, ponieważ jego wyższa temperatura wrzenia była bardziej kompatybilna z systemami grzewczymi.

Inne zastosowania przemysłowe

Najpopularniejszymi roztworami przeciw zamarzaniu na bazie wody stosowanymi do chłodzenia elektroniki są mieszaniny wody i glikolu etylenowego (EGW) lub glikolu propylenowego (PGW). Stosowanie glikolu etylenowego ma dłuższą historię, zwłaszcza w przemyśle motoryzacyjnym. Jednak rozwiązania EGW opracowane dla przemysłu motoryzacyjnego często zawierają krzemianowe inhibitory rdzy, które mogą pokrywać i/lub zatykać powierzchnie wymienników ciepła. Glikol etylenowy jest wymieniony jako toksyczna substancja chemiczna wymagająca ostrożności podczas obchodzenia się i usuwania.

Glikol etylenowy ma pożądane właściwości termiczne, w tym wysoką temperaturę wrzenia, niską temperaturę zamarzania, stabilność w szerokim zakresie temperatur oraz wysokie ciepło właściwe i przewodność cieplną. Ma również niską lepkość, a co za tym idzie, mniejsze wymagania dotyczące pompowania. Chociaż EGW ma bardziej pożądane właściwości fizyczne niż PGW, to drugie chłodziwo jest używane w zastosowaniach, w których toksyczność może stanowić problem. PGW jest ogólnie uznawany za bezpieczny do stosowania w przemyśle spożywczym lub przetwórstwie żywności i może być również używany w przestrzeniach zamkniętych.

Podobne mieszaniny są powszechnie stosowane w HVAC i przemysłowych systemach grzewczych lub chłodniczych jako nośniki ciepła o dużej wydajności . Wiele preparatów zawiera inhibitory korozji i oczekuje się, że te chemikalia będą uzupełniane (ręcznie lub pod kontrolą automatyczną), aby zapobiec korozji drogich rurociągów i sprzętu.

Biologiczne środki przeciw zamarzaniu

Białka zapobiegające zamarzaniu odnoszą się do związków chemicznych wytwarzanych przez niektóre zwierzęta , rośliny i inne organizmy, które zapobiegają tworzeniu się lodu. W ten sposób związki te umożliwiają organizmowi gospodarza działanie w temperaturach znacznie poniżej punktu zamarzania wody. Białka zapobiegające zamarzaniu wiążą się z małymi kryształkami lodu, hamując wzrost i rekrystalizację lodu, która w przeciwnym razie byłaby śmiertelna.

Krioprotektanty są powszechnie stosowane w kriobiologii , aby zapobiegać lub hamować zamarzanie plemników, krwi, komórek macierzystych, nasion roślin itp. Glikol etylenowy, glikol propylenowy i glicerol (wszystkie stosowane w samochodowych płynach przeciw zamarzaniu) są powszechnie stosowane jako biologiczne krioprotektanty.

Główni agenci

Glikol etylenowy

Główny artykuł: glikol etylenowy
Glikol etylenowy

Większość środków przeciw zamarzaniu wytwarza się przez zmieszanie wody destylowanej z dodatkami i produktem bazowym, zwykle MEG (glikol monoetylenowy) lub MPG (glikol monopropylenowy). Roztwory glikolu etylenowego po raz pierwszy stały się dostępne w 1926 roku i były sprzedawane jako „stałe środki zapobiegające zamarzaniu”, ponieważ wyższe temperatury wrzenia zapewniały korzyści zarówno w lecie, jak iw niskich temperaturach. Są one obecnie używane w różnych zastosowaniach, w tym w samochodach , ale dostępne są alternatywy o niższej toksyczności wykonane z glikolu propylenowego .

Gdy glikol etylenowy jest używany w systemie, może ulec utlenieniu do pięciu kwasów organicznych (kwas mrówkowy, szczawiowy, glikolowy, glioksalowy i octowy). Dostępne są mieszanki przeciw zamarzaniu z inhibitorem glikolu etylenowego, z dodatkami, które buforują pH i rezerwują zasadowość roztworu, aby zapobiec utlenianiu glikolu etylenowego i tworzeniu się tych kwasów. Azotyny , krzemiany , borany i azole mogą być również stosowane w celu zapobiegania korozji metalu.

Glikol etylenowy ma gorzki, słodki smak i powoduje odurzenie. Toksyczne skutki spożycia glikolu etylenowego występują, ponieważ jest on przekształcany przez wątrobę w 4 inne chemikalia, które są znacznie bardziej toksyczne. Śmiertelna dawka czystego glikolu etylenowego wynosi 1,4 ml / kg (3 uncje płynu amerykańskiego (90 ml) jest śmiertelna dla osoby ważącej 140 funtów (64 kg)), ale jest znacznie mniej śmiertelna, jeśli zostanie podana w ciągu godziny. (patrz zatrucie glikolem etylenowym ).

Glikol propylenowy

Glikol propylenowy

Glikol propylenowy jest znacznie mniej toksyczny niż glikol etylenowy i może być oznaczony jako „nietoksyczny płyn niezamarzający”. Jest stosowany jako środek przeciw zamarzaniu tam, gdzie glikol etylenowy byłby nieodpowiedni, na przykład w systemach przetwarzania żywności lub w rurach wodociągowych w domach, gdzie może być możliwe przypadkowe połknięcie. Na przykład amerykańska FDA zezwala na dodawanie glikolu propylenowego do dużej liczby przetworzonej żywności , w tym lodów , mrożonego kremu , sosów sałatkowych i wypieków , i jest on powszechnie stosowany jako główny składnik „ e-płynu ” stosowane w papierosach elektronicznych . Glikol propylenowy utlenia się do kwasu mlekowego .

Oprócz korozji układu chłodzenia dochodzi również do osadów biologicznych . Gdy szlam bakteryjny zacznie rosnąć, szybkość korozji układu wzrasta. Konserwacja systemów wykorzystujących roztwór glikolu obejmuje regularne monitorowanie ochrony przed zamarzaniem, pH , ciężaru właściwego , poziomu inhibitora, koloru i zanieczyszczenia biologicznego.

Glikol propylenowy należy wymienić, gdy zmieni kolor na czerwonawy. Kiedy wodny roztwór glikolu propylenowego w systemie chłodzenia lub ogrzewania nabiera czerwonawego lub czarnego koloru, oznacza to, że żelazo w systemie znacznie koroduje. W przypadku braku inhibitorów glikol propylenowy może reagować z tlenem i jonami metali, tworząc różne związki, w tym kwasy organiczne (np. mrówkowy, szczawiowy, octowy). Kwasy te przyspieszają korozję metali w układzie.

Inne środki przeciw zamarzaniu

Eter metylowy glikolu propylenowego jest stosowany jako środek zapobiegający zamarzaniu w silnikach wysokoprężnych. Jest bardziej lotny niż glikol.

Gliceryna stosowana w samochodowych płynach przeciw zamarzaniu ma tę zaletę, że jest nietoksyczna, wytrzymuje stosunkowo wysokie temperatury i nie powoduje korozji. Nie jest jednak szeroko stosowany. Glicerol był historycznie używany jako środek zapobiegający zamarzaniu w zastosowaniach motoryzacyjnych, zanim został zastąpiony glikolem etylenowym . Volkswagen wprowadził płyn niezamarzający G13 (TL 774-G) zawierający glicerol w 2008 roku, reklamowany jako lepszy dla środowiska ze względu na niską toksyczność i zmniejszoną emisję CO 2 . Jednak od 2018 roku przeszli na G12EVO (TL 774-L), który nie zawiera już glicerolu.

Glicerol jest zalecany do stosowania jako środek przeciw zamarzaniu w wielu systemach tryskaczowych. [ potrzebne źródło ]

Pomiar punktu zamarzania

Po zmieszaniu płynu niezamarzającego z wodą i oddaniu do użytku należy go okresowo konserwować. Jeśli płyn chłodzący silnika wycieka, wrze lub jeśli układ chłodzenia wymaga opróżnienia i ponownego napełnienia, należy wziąć pod uwagę ochronę przed zamarzaniem płynu niezamarzającego. W innych przypadkach może zaistnieć potrzeba eksploatacji pojazdu w chłodniejszym otoczeniu, wymagającym większej ilości płynu niezamarzającego i mniejszej ilości wody. Powszechnie stosuje się trzy metody określania temperatury zamarzania roztworu poprzez pomiar stężenia:

  1. Ciężar właściwy — (za pomocą paska testowego areometru lub jakiegoś pływającego wskaźnika),
  2. Refraktometr — który mierzy współczynnik załamania światła płynu niezamarzającego i
  3. Paski testowe – specjalistyczne, jednorazowe wskaźniki wykonane w tym celu.

Temperatura wpływa zarówno na ciężar właściwy, jak i współczynnik załamania światła, chociaż na ten pierwszy wpływa znacznie mniej katastrofalnie. Kompensacja temperatury jest jednak zalecana do pomiaru RI. Roztwory glikolu propylenowego nie mogą być testowane przy użyciu ciężaru właściwego ze względu na niejednoznaczne wyniki (roztwory 40% i 100% mają ten sam ciężar właściwy), chociaż typowe zastosowania rzadko przekraczają stężenie 60%.

Temperaturę wrzenia można podobnie określić na podstawie stężenia podanego jedną z trzech metod. Arkusze danych mieszanin glikol/woda chłodząca są powszechnie dostępne u sprzedawców chemikaliów.

Inhibitory korozji

Większość komercyjnych preparatów przeciw zamarzaniu zawiera związki hamujące korozję i kolorowy barwnik (zwykle fluorescencyjny zielony, czerwony, pomarańczowy, żółty lub niebieski), aby pomóc w identyfikacji. Zwykle stosuje się rozcieńczenie 1: 1 wodą, co skutkuje temperaturą zamarzania około -34 ° F (-37 ° C), w zależności od preparatu. W cieplejszych lub zimniejszych obszarach stosuje się odpowiednio słabsze lub mocniejsze rozcieńczenia, ale często podaje się zakres od 40%/60% do 60%/40%, aby zapewnić ochronę przed korozją, a 70%/30% dla maksymalnej ochrony przed zamarzaniem do -84 ° F (-64 ° C).

Konserwacja

W przypadku braku wycieków chemikalia zapobiegające zamarzaniu, takie jak glikol etylenowy lub glikol propylenowy, mogą zachować swoje podstawowe właściwości w nieskończoność. Natomiast inhibitory korozji zużywają się stopniowo i od czasu do czasu należy je uzupełniać. Większe systemy (takie jak HVAC ) są często monitorowane przez wyspecjalizowane firmy, które biorą odpowiedzialność za dodawanie inhibitorów korozji i regulację składu chłodziwa. Dla uproszczenia większość producentów samochodów zaleca okresową całkowitą wymianę płynu chłodzącego silnik, aby jednocześnie odnowić inhibitory korozji i usunąć nagromadzone zanieczyszczenia.

Tradycyjne inhibitory

Tradycyjnie w pojazdach stosowano dwa główne inhibitory korozji: krzemiany i fosforany . Amerykańskie pojazdy tradycyjnie wykorzystywały zarówno krzemiany, jak i fosforany. Europejskie marki zawierają krzemiany i inne inhibitory, ale nie zawierają fosforanów. Japońscy producenci tradycyjnie używają fosforanów i innych inhibitorów, ale nie krzemianów.

Technologia kwasów organicznych

Większość nowoczesnych samochodów jest zbudowanych z użyciem środka przeciw zamarzaniu opartego na technologii kwasów organicznych (OAT) (np. DEX-COOL) lub na bazie hybrydowej technologii kwasów organicznych (HOAT) (np. Zerex G-05). żywotność pięć lat lub 240 000 km (150 000 mil).

Szczególnie DEX-COOL wywołał kontrowersje . Postępowanie sądowe powiązało to z awariami uszczelek kolektora dolotowego w General Motors (GM) 3,1 l i 3,4 l oraz z innymi awariami w silnikach 3,8 l i 4,3 l. Jeden ze składników antykorozyjnych prezentowany jako 2-etyloheksanian sodu lub potasu i kwas etyloheksanowy jest niekompatybilny z nylonem 6,6 i kauczukiem silikonowym i jest znanym plastyfikatorem . Pozwy zbiorowe zostały zarejestrowane w kilku stanach USA iw Kanadzie w celu uwzględnienia niektórych z tych roszczeń. Pierwszy z nich podjął decyzję w Missouri, gdzie ugodę ogłoszono na początku grudnia 2007 roku. Pod koniec marca 2008 roku GM zgodził się wypłacić odszkodowania skarżącym w pozostałych 49 stanach. GM ( Motors Liquidation Company ) złożyło wniosek o upadłość w 2009 r., co spowodowało zablokowanie zaległych roszczeń do czasu ustalenia przez sąd, kto otrzyma zapłatę.

Według producenta DEX-COOL „zmieszanie„ zielonego ”płynu chłodzącego [nie zawierającego OAT] z DEX-COOL skraca okres między wymianami partii do 2 lat lub 30 000 mil, ale poza tym nie spowoduje uszkodzenia silnika”. Płyn niezamarzający DEX-COOL wykorzystuje dwa inhibitory: sebacynian i 2-EHA ( kwas 2-etyloheksanowy ), ten ostatni dobrze radzi sobie z twardą wodą występującą w Stanach Zjednoczonych, ale jest plastyfikatorem , który może powodować nieszczelność uszczelek.

Według wewnętrznych dokumentów GM, głównym winowajcą wydaje się eksploatacja pojazdów przez długi czas z niskim poziomem płynu chłodzącego. Niski poziom płynu chłodzącego jest spowodowany przez korki ciśnieniowe, które zawodzą w pozycji otwartej. (Nowe zakrętki i butelki do odzyskiwania zostały wprowadzone w tym samym czasie co DEX-COOL). Powoduje to narażenie gorących elementów silnika na działanie powietrza i oparów, powodując korozję i zanieczyszczenie płynu chłodzącego cząstkami tlenku żelaza, co z kolei może pogorszyć problem z korkami ciśnieniowymi, ponieważ zanieczyszczenia utrzymują korki w pozycji otwartej na stałe.

Nowe płyny chłodzące Hondy i Toyoty o przedłużonej trwałości wykorzystują OAT z sebacynianem, ale bez 2-EHA. Niektóre dodane fosforany zapewniają ochronę podczas gromadzenia się OAT. Honda specjalnie wyklucza 2-EHA ze swoich formuł.

Zazwyczaj płyn niezamarzający OAT zawiera pomarańczowy barwnik w celu odróżnienia go od konwencjonalnych płynów chłodzących na bazie glikolu (zielony lub żółty), chociaż niektóre produkty OAT mogą zawierać czerwony lub fioletowy barwnik. Niektóre z nowszych płynów chłodzących OAT twierdzą, że są kompatybilne ze wszystkimi rodzajami płynów chłodzących OAT i na bazie glikolu; są one zazwyczaj koloru zielonego lub żółtego.

Hybrydowa technologia kwasów organicznych

Płyny chłodzące HOAT zazwyczaj mieszają OAT z tradycyjnym inhibitorem, zwykle krzemianami.

Przykładem jest Zerex G05, który jest formułą o niskiej zawartości krzemianów, bez fosforanów, która zawiera inhibitor benzoesanu .

Żywotność płynu chłodzącego HOAT może sięgać nawet 10 lat / 180 000 mil.

Fosforanowa hybrydowa technologia kwasów organicznych

Chłodziwa P-HOAT mieszają fosforany z HOAT. Ta technologia jest zwykle stosowana w markach azjatyckich i często jest barwiona na czerwono lub niebiesko.

Technologia krzemianowo-hybrydowego kwasu organicznego

Chłodziwa Si-OAT mieszają krzemiany z HOAT. Ta technologia jest zwykle stosowana w europejskich markach i często jest barwiona na różowo.

Dodatki

Wszystkie samochodowe płyny niezamarzające, w tym nowsze formuły kwasów organicznych (przeciw zamarzaniu OAT), są niebezpieczne dla środowiska ze względu na mieszankę dodatków (około 5%), w tym smarów, buforów i inhibitorów korozji. Ponieważ dodatki w płynie niezamarzającym są zastrzeżone, w kartach charakterystyki (SDS) dostarczonych przez producenta wymieniono tylko te związki, które są uważane za znaczące zagrożenie dla bezpieczeństwa, jeśli są stosowane zgodnie z zaleceniami producenta. Typowe dodatki obejmują krzemian sodu , fosforan disodowy , molibdenian sodu , boran sodu , benzoesan denatonium i dekstrynę (hydroksyetyloskrobię).

z fluoresceiny disodowej jest dodawany do konwencjonalnych receptur glikolu etylenowego w celu wizualnego odróżnienia wyciekających ilości od innych płynów pojazdu oraz jako znacznik typu w celu odróżnienia go od typów niekompatybilnych. Ten barwnik fluoryzuje jasnozielono, gdy jest oświetlony światłem niebieskim lub UV ze światła dziennego lub lamp testowych.

Płyn niezamarzający do samochodów ma charakterystyczny zapach ze względu na dodatek tolilotriazolu , który jest inhibitorem korozji. Nieprzyjemny zapach tolilotriazolu do zastosowań przemysłowych pochodzi z zanieczyszczeń w produkcie, które powstają z toluidyny (orto-, meta- i para-toluidyny) oraz meta-diaminotoluenu, które są produktami ubocznymi wytwarzania tolilotriazolu. Te produkty uboczne są wysoce reaktywne i wytwarzają lotne aminy aromatyczne, które są odpowiedzialne za nieprzyjemny zapach.

Zobacz też

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Antifreeze&oldid=1140645957 ”