1.2. Використання води як охолоджувальної рідини

Найрозповсюдженішою рідиною, що використову­ється для охолодження, є вода. Вона має найвищу тепло­ємність 4,19 кДж/(кг·°С), більшу теплопровідність, невелику кі­нематичну в’язкість (ν_{20 °C} = 1 мм²/с) та більшу теплоту випаро­вування.

При використанні води як охолоджувальної рідини утворення відкладень в системі охолодження двигуна визнача­ється в основному наявністю розчинених у воді солей, що утво­рюють накип.

Використовувати технічну воду слід після попередньої її пом’якшення (кип’ятіння, обробки вапном та содою) або з до­бавленням протинакипних присадок (антинакипинів). Напри­клад, калієвий хромпік К₂Сr₂O₇ при концентрації його від 5 до 10 г в 1 л води здатний перетворювати солі у речовини, що не утворюють накип.

Використання любого антинакипина повинна випереджа­ти очищення системи охолодження від утвореної раніше накипи.

На рис. 3.1 приведена схема установки для пом’якшення жорсткої води.

Рис. 3.1. Схема стаціонарної катіонітової установки

для пом’якшення жорсткої води:

1 – насос; 2 – катіоновий фільтр з сульфованим вугіллям; 3 – мішалка для приготування розчину повареної солі; 4 – збірник пом’якшеної води

Вода, як охолоджувальна рідина має переважне застосуван­ня, оскільки недефіцитна, має високу теплоємкість, пожежобезпечна і нетоксична. Однак їй властиві суттєві експлуатаційні недоліки. Це – низька температура замерзання (0°С), що дуже ус­кладнює її застосування взимку. До того ж при замерзанні вода збільшує свій об’єм на 10% (рис. 3.2), тому при утворенні льоду в системі охолодження виникає тиск до 200-300 МПа, що призводить до поломок двигуна і радіатора.

Рис. 3.2. Залежність об’єму води від температури

Низька температура кипіння веде іноді до закипання води в системі охолодження, інтенсивного випаровування і припинення циркуляції, внаслідок утворення парових пробок. Цей недолік води виявляється перш за все у жаркий періоді в гористій місцевості. Застосування закритої системи охолодження дозволяє підвищити температуру кипіння до 110-120°С.

Одним з найбільших недоліків води є здатність утворювати накипи на стінках деталей системи охолодження. Накип, маючи низьку теплопровідність (приблизно в 100 раз нижче чавуну), погіршує відведення тепла від стінок двигуна, порушуючи його тепловий режим, внаслідок чого при товщині шару накипу від 1,5 до 6 мм збільшується витрата палива на 9-20% (рис. 3.3), масла – на 15-40%, а потужність двигуна знижується на 10-20%.

Інтенсивність утворення накипу залежить від вмісту в воді розчинних солей, в основному кальцію і магнію, що характеризується твердістю води. Твердість води вимірюється в міліграм – еквівалент на 1 л (мг-екв/л). Вода, яка містить в 1 л 20,04 мг кальцію або 12,16 мг магнію має твердість, що дорівнює одному міліграм – еквіваленту.

Рис. 3.3. Вплив накипу на перевитрату палива

Розрізняють тимчасову (карбонатну) і постійну (некарбонатну) твердість. Тимчасова твердість пов’язана з наявністю у воді бікарбонатів кальцію та магнію, які при нагріванні води до 80°С і вище розкладаються, утворюючи на стінках системи охолодження нерозчинну у воді накип у вигляді карбонатів кальцію і магнію.

Постійна твердість пов’язана з наявністю у воді некарбонатних солей: хлоридів і сульфатів кальцію та магнію, які не розкладаються при її нагріванні, а взаємодіючи з водою або солями, що знаходяться в ній, утворюють щільну і тверду накип.

Сума тимчасової і постійної твердості складає твердість або загальну твердість води, за якою її класифікують. Вода, яка має твердість до 3 мг-екв/л – м’яка, від 3 до 6 – середньої твердості, від 6 до 9 – тверда, більше 9 мк-екв/л – дуже тверда. Застосування в системі охолодження твердої води не бажано, дуже твердої – недопустимо.

Найбільш м’якою та чистою є дощова і снігова (атмо­сферна) вода, яка має твердість менше 0,04 мг-екв/л. Ця вода найкраще підходить для системи охолодження, хоч і має дещо підвищені корозійні властивості внаслідок розчинених вуглекислого газу і кисню.

Вода рік, озер, ставків (поверхнева) найчастіше має неве­лику твердість від 0,5 до 5,0 мг-екв/л, тобто відноситься до води м’якої і середньої твердості. Накип майже не утворюється, але буває забруднена механічними і органічними домішками.

Вода з колодязів і джерел (підземна) частіше всього буває тверда і дуже тверда, тому її не можна застосовувати в системі охолодження без попередньої підготовки (пом’якшення).

Розрізняють термічний та хімічний способи пом’якшення води. Найпростішим термічним способом пом’якшення води є кип’ятіння її 20-30 хв, протягом цього часу бікарбонати кальцію та магнію переходять у карбонати і випадають в осад, який потім вилучають відстоюванням та фільтруванням. Це дозволяє знизити тимчасову твердість до 1,0-1,5 мг-екв/л.

Технічно складніший спосіб - перегонка води (одержання дистильованої води), коли розчинні солі залишаються в перегонному кубі.

Хімічні способи пом’якшення побудовані на методі осадження солей або катіонному обміні.

Обробка води содою Na₂CO₃ або тринатрійфосфатом Na₃PO₄ з подаль-шим фільтруванням дозволяє вилучати з неї солі тимчасової і постійної твердості, знизити загальну твердість. На кожний 1 мг-екв/л твердості 1 л пом’якшеної води необхідно додати 53 мг соди і 55 мг тринатрійфосфату. Теплу (гарячу) воду перемішують з реагентом протягом 20-30 хв, відстоюють і фільтрують.

У промисловості широке застосування знайшов метод пом’якшення води фільтруванням через катіонові фільтри, тобто речовини, які здатні вступати в реакцію з іонами кальцію і магнію. Як катіони використовують природні мінерали глау­коніт або штучно виготовлені катіоніти, які називають перму­титами. Залишкова загальна твердість при використанні катіонітових фільтрів не більше 0,5-1,0 мг-екв/л.

Найпростішим, економічним і ефективним способом пом’якшення води є магнітна обробка. Суть її полягає в пропус­канні води (не менше 6 разів) через магнітне силове поле в на­прямку, перпендикулярному силовим лініям, в результаті чого солі, які знаходяться у воді, не утворюють накипу, а випадають у вигляді легкозмиваючого шламу. Крім того, під дією магніт­ного поля в обробленій воді руйнується раніше утворений на­кип. Для магнітної обробки води використовують апарати з постійним і електричним магнітами (рис. 3.4), вмонтованим у водопровідну мережу.

Рис. 3.4. Схема апарата для електромагнітної обробки води:

1 – водопровідні трубу; 2 – корпус апарата; 3 – корпус магніта;

4 – котушка електромагніта; 5 – електропровід