§ 48. Вода как охлаждающая жидкость

В процессе работы двигателей внутреннего сгорания не вся тепловая энергия переходит в полезную работу. Значительная часть тепла расходуется на нагревание деталей двигателя. При этом снижается их механиче­ская прочность, и если двигатель не охлаждать, то он быстро выйдет из строя. Отводить тепло необходимо от многих агрегатов и деталей: камеры сгорания, клапанов, цилиндров двигателя, поршневой группы и т.д. Нежела­тельно и излишнее охлаждение, так как при этом ухуд­шается испаряемость топлива, а, следовательно, качество горючей смеси, нарушается процесс сгорания, возраста­ют потери энергии на преодоление внутреннего трения смазочных материалов. При всех режимах работы до­лжен поддерживаться оптимальный тепловой режим.

Двигатели внутреннего сгорания имеют воздушное или более распространенное — жидкостное охлаждение, в первом случае oт нагретых деталей тепло через воздух поступает в окружающую атмосферу, во втором — избыточное тепло вначале воспринимается жидкостью, которая омывает детали, а затем передается в окружающий воздух. В процессе работы двигателя температура окру­жающей среды составляет 85—95° С, но иногда дости­гает 105—110° С.

Надежность работы системы охлаждения во многом зависит oт физико-химических свойств используемых жидкостей, к которым предъявляются следующие тре­бования, температура кипения должна быть на 15— 20° С выше наибольшей возможной температуры в си­стеме охлаждения, а температура застывания — не менее чем на 5—10° С ниже наименьшей температуры окружа­ющего воздуха; они не должны образовывать различных отложений в системе охлаждения (накипи, осадков, шлама), снижающих интенсивность теплоотвода и нару­шающих циркуляцию; не должны вспениваться, а также вызывать коррозию металлических деталей, разрушения прокладок; коэффициент расширения жидкостей должен быть, возможно, меньшим, так как при работе двигателей могут наблюдаться большие перепады температуры (от отрицательной до 100—110°С); должны быть дешевыми, недефицитными, пожаробезопасными и не оказывать вредного влияния на здоровье обслуживающего персо­нала.

В системе охлаждения двигателей широко использу­ют воду, хотя она и не отвечает всем перечисленным требованиям. Это объясняется ее высокой теплопровод­ностью и теплоемкостью, малой вязкостью, абсолютной недефицитностью, удобством использования и др.

Свойства воды в очень большой степени зависят от ее происхождения. Так, вода атмосферных осадков (дождь, снег) практически не содержит растворенных солей и органических соединений. Наиболее широкое распространение имеют поверхностные воды. Они содер­жат разное в зависимости от грунта и пород, где нахо­дится водоем, количество растворенных солей и органиче­ских соединений. Среди них много пресных вод (реки, озера, пруды, болота), в которых на вкус минеральные и органические соединения не ощущаются. Значительно больше соленых водоемов (океаны, моря), в воде которых растворено очень большое количество различных ве­ществ, на вкус они горько-соленые. Использовать их без предварительной глубокой обработки нельзя.

Кроме поверхностных вод на производственные и бытовые нужды широко используют подземные или грунтовые воды. Подземные источники могут находить­ся в земной коре на различной глубине — от нескольких до десятков и сотен метров. Как правило, количество растворенных в подземных водах солей больше, чем в поверхностных (исключая морские). Их содержание за­висит от состава почв и пород, окружающих источник, и тех, через которые проникла вода при движении. Часто бесцветная, совершенно прозрачная на вид грунтовая вода содержит значительное количество растворенных солей и не может быть использована в системе охлаж­дения.

Качества природных вод зависит от состава и коли­чества примесей, которые могут находиться в ней в виде взвесей, коллоидных частиц или в растворенном состоя­нии. Размеры механических примесей бывают самыми разнообразными: от долей до сотен микрон. Чаще всего это песчинки, пылинки, ил, органические соединения. Обычно механические взвеси легко удаляются отстоем или фильтрацией. Если же и после этого вода остается мутной, значит в ней содержатся очень мелкие частицы (размером в десятые доли микрона). Чтобы очистить та­кую воду, в нее добавляют коагуляторы — вещества (на­пример, хлорное железо, сернокислый алюминий), под действием которых частицы соединяются, укрупняются, образуя хлопья. Хлопья легко осаждаются при от­стаивании и задерживаются при фильтрации.

Удалить примеси, находящиеся в воде в растворен­ном состоянии, значительно труднее, для этого требуется специальная очистка. Способы очистки зависят от того, какие примеси содержатся в воде и в каких установках она будет использоваться. Одни соединения безвредны, многие вызывают образование накипи, некоторые корродируют металл. Особенно неприятны вещества, вызы­вающие накипеобразование. Накипь в системе охлажде­ния уменьшает сечение каналов и нарушает циркуля­цию. Теплопроводность накипи в 10—15 раз ниже, чем металлов, что резко ухудшает отвод тепла. Чем больше, плотнее и тверже слой, тем хуже теплообмен, выше рас­ход топлива и смазочных материалов.

Воды, вызывающие образование накипи, называют жесткими. Общая жесткость воды — это суммарное со­держание в ней ионов кальция и магния. Она измеряется миллиграмм-эквивалентами на литр воды (мг-экв/л). 1 мг-экв/л соответствует содержанию в 1 л воды 20,04мг кальция или 12,16 мг магния

Общая жесткость воды складывается из карбонат­ной (временной) и некарбонатной (постоянной) Наибо­лее вредны соединения, обусловливающие карбонатную жесткость (двууглекислые сочи кальция и магния), которые при температуре выше 85° С разлагаются, выпа­дают в осадок и на поверхности системы охлаждения образуют прочные отложения. Некарбонатную жесткость вызывают хлористые, кремнекислые и сернокислые соли кальция и магния. При кипячении воды они в осадок не выпадают, а остаются в растворе. Но когда вода сильно испаряется, особенно при перегрузке двигателя, концент­рация солей повышается, и они частично выпадают в оса­док, образуя накипь.

Воду принято считать мягкой, если общее содержа­ние в ней солей не превышает 3,0 мг-экв/л, в двигателях ее можно использовать без умягчения. Если количество солей составляет 3,0—6,0 мг-экв/л, воду считают средней жесткости, перед использованием в двигателе внутрен­него сгорания ее рекомендуется умягчать. Воду, содер­жащую более 6,0 мг-экв/л солей, считают жесткой, она подлежит обязательному умягчению.

Отличить жесткую воду от мягкой можно по способ­ности образовывать мыльную пену: в жесткой воде при намыливании рук пена практически не образуется и бы­стро исчезает. На руках при этом остается осадок, кото­рый трудно отмыть.

Обычно в северных районах страны воды мягкие, в средней полосе жесткость постепенно увеличивается Наибольшее содержание солей в водах на юге страны и в республиках Средней Азии, здесь жесткость нередко достигает 70—100 мг-экв/л.

Наиболее простой способ умягчения воды — кипяче­ние ее в течение 15—20 мин. При этом большая часть солей карбонатной жесткости выпадает в осадок, который отфильтровывают. Остаточная временная жесткость не превышает 1—2 мг-экв/л. Такой способ наиболее приго­ден для индивидуального использования или при неболь­шом количестве машин. Заправить же большую группу тракторов или автомобилей кипяченой водой практиче­ски невозможно. Но в тех районах, где очень жесткие воды и нет установок для умягчения, предварительное ки­пячение необходимо.

Довольно распространены различные способы хими­ческой обработки, сущность которой сводится к следую­щему. Выбирают доступное химическое вещество, под действием которого все или большая часть солей выпа­дает в осадок (количество реагента зависит от жестко­сти). Воду с реагентом перемешивают в течение 20—30 мин. Выпавшие после обработки осадки отфильтровыва­ют или дают им отстояться, а умягченную воду заливают в систему охлаждения двигателя. Для умягчения исполь­зуют различные вещества, но наиболее широко распрост­ранены кальцинированная сода и тринатрийфосфат, ко­торые добавляют в количестве 50—55 мг на каждый мг-экв/л жесткости. Остаточная общая жесткость после химической обработки составляет 0,5—1,0 мг-экв/л.

Удобны различные физические способы умягчения с помощью искусственных ионообменных смол (катиониты, аниониты). Если жесткую воду последовательно пропу­скать через такие фильтры, то после обработки можно получить очень мягкую воду. В производственных усло­виях распространена обработка воды глауконитом или искусственным соединением пермутитом. При фильтра­ции воды через глауконит (пермутит) в нем происходит обмен: натрий из минерала уходит в воду, а кальций и магний из воды задерживаются на нем. Таким образом, после обработки получается мягкая вода, при использо­вании которой накипь не образуется.

Перспективна, но в сельском хозяйстве имеет ограни­ченное применение, — магнитная обработка. Сущность метода сводится к пропуску жесткой воды между полю­сами постоянного магнита или электромагнита. При пе­ресечении силовых линий соли, образующие накипь, раз­лагаются и выпадают в виде осадка, который легко удаляется фильтрацией.

В условиях эксплуатации для предупреждения образования накипи следует, как можно реже менять воду в двигателе. В зимнее время при остановке техники на длительный срок сливаемую воду нужно собирать, а за­тем вновь использовать ее. Вода, работавшая в двига­теле, уже в значительной степени лишена солей жест­кости.

Целесообразно введение в воду специальных веществ антинакипинов, которые или переводят накипь в растворенное состояние, или не позволяют частицам оседать на поверхности. К таким веществам относятся гексаметафосфат (5—6 мг/л), тринатрийфосфат (0,2— 0,3 1/л), а также хромпик (10—12 г/л).

Периодически при сезонном техническом обслужи­вании образовавшуюся накипь необходимо удалять. Для двигателей всех типов можно использовать молоч­ную кислоту (60 г/л), хромпик (20 г/л), смесь кальци­нированной соды (100 г/л) и хромпика (2—3 г/л) и др. Перед обработкой вынимают термостат из двигателя, заливают в него раствор и работают 6—8 ч. По оконча­нии работы раствор сливают, а систему тщательно про­мывают чистой водой. Для двигателей, у которых блок цилиндров имеет чугунную головку, кроме того, можно применять слабый (3—5%-ный) раствор технической со­ляной кислоты. Раствор заливают при снятом термо­стате. Через 40—60 мин двигатель заводят на 5 мин, сливают из 1кго раствор, а систему тщательно промы­вают водой.

Кроме склонности к образованию накипи и шлама, вода имеет еще ряд существенных недостатков. Ее тем­пература кипения 100° С, что не всегда обеспечивает охлаждение современных форсированных двигателей. Замерзает вода при относительно высокой температуре (0°С), при этом примерно на 10% увеличивается в объ­еме. Образующийся лед давит на стенки системы ох­лаждения с усилием более 200 МПа (2000 кгс/см^»), что может привести к разрушению головки блока цилиндров и радиаторов. При безгаражном хранении техники зи­мой воду на ночь сливают, а утром заливают вновь, или периодически прогревают двигатель, не допуская его охлаждения до отрицательной температуры. Поэтому в зимнее время года целесообразно использовать низкозамерзающие охлаждающие жидкости.