2.1.2. Вибір теплохолодоносіїв

Загальні вимоги

Відомо, що чиста вода по своїх теплофізичних параметрах має значну перевагу в порівнянні з багатьма рідинами, проте її робочий діапазон при нормальному тиску обмежується температурами від 0 до 100°С. Для використання води в якості холодоносія при температурі нижче 0°C потрібно додаткові присадки, які знижують температуру її замерзання.

У загальному випадку рідини, призначені для використання в якості таких присадок, повинні задовольняти наступним, іноді суперечливим, вимогам:

- мати об'ємну теплоємність, теплопровідність і в'язкість, близьку до води;

- добре розчинятися у воді;

- забезпечувати температуру замерзання мінус 60°C при мінімально можливих концентраціях;

- бути хімічно стійкими за заданих умов експлуатації;

- мати хімічну сумісність з матеріалами ущільнювачів, які використовуються;

- бути екологічно і біологічно безпечними;

- мати оптимальне співвідношення «ціна – якість».

Холодоносії на основі водних розчинів синтетичних рідин і мінерального масла можна умовно розділити за температурою замерзання на три групи.

1. Розчини неорганічних солей (хлорид натрію або хлорид кальцію). Ці класичні теплоносії мають добрі теплопровідні властивості, нетоксичні, дешеві і дозволяють досягти низьких температур замерзання при відносно малих концентраціях солей. Проте їх практичне застосування обмежується використанням в простих холодильних установках, оскільки вони корозійно-активні при використанні інгібіторів. Крім того, ці розчини погано переносять нагрівання в процесі експлуатації.

2. Теплоносії на основі спиртів (метанол і етанол) мають низькі температури замерзання, проте можливості їх використання обмежені низькими температурами кипіння, високою летючістю, а також токсичністю.

3. Теплоносії на основі моноетиленгліколю (МЕГ) або монопропіленгліколю (МПГ) при аналогічних температурах замерзання характеризуються малою летючістю і вищою температурою кипіння своїх водних розчинів. В порівнянні з теплоносіями на основі неорганічних солей, корозійна активність цих теплоносіїв значно менша, водні розчини гліколю можуть тривало працювати, наприклад в установках, які використовують сонячну енергію. Етиленгліколь має кращі теплопровідні властивості і значно дешевше за пропіленгліколь, але його істотним недоліком є токсичність. Тому в холодильних установках харчової промисловості використовується тільки нетоксичний пропіленгліколь. При виборі теплоносія для харчових технологічних установок особливої альтернативи практично не існувало: або ефективні (з точки зору передачі тепла) але корозійно-активні розчини неорганічних солей, або інертні гліколеві розчини з низькими теплопровідними властивостями.

З середини 90-х років стали використовуватися нові теплоносії на основі органічних солей. У 1994 році такий холодоносій – TYFOXIT 1.20 з робочим діапазоном температур до мінус 40°ЗС був заправлений в холодильну установку супермаркету Edeka 2000 в м.Хіндесхайме. Цей холодоносій є інгібіторним розчином ацетату калію, який використовується також при виробництві продуктів харчування в якості харчової добавки. Він має густину 1,2 г/см³, хороші теплофізичні властивості і низьку корозійну активність. Останніми роками холодоносій TYFOXIT в різних модифікаціях знайшов широке застосування в холодильних установках для харчової промисловості.

Подальшим кроком в цьому напрямі стало створення нешкідливих для людини холодоносіїв серії TYFOXIT F20-60 на основі форміату калію. Водні розчини форміату калію мають значно меншу в'язкість в порівнянні з ацетатом калію. Цифрами після торговельної марки TYFOXIT позначені нижні межі робочої температури. Деякі характерні властивості названих вище речовин, що входять до складу теплоносіїв, наведені в таблиці 2.1.

Таблиця 2.1

Порівняння властивостей речовин з низькою температурою замерзання з властивостями води

Найменування параметру	H20	Мета-нол	Етанол	МЕГ	МПГ	СаCl2	Ацетат калію	Форміат калію
Агрегатний стан	рід.	рід.	рід.	рід.	рід.	тв-дий	тв-дий	тв-ий
Густина, г/см3	0,998	0,792	0,789	1,113	1,036	2,216	1,570	1,910
Температура плавлення, °С	0	-98	-115	-73	-44	772	292	165
Температура кипіння, °С	100	64	78	198	188	1600	440	440
Температура спалаху, °С	відсут.	8	13	111	102	відсут.	відсут.	відсут.
Температура замерзання, °С:
у 30% розчині	-	-19	-15	-17	-14	-55	-20	-25
у 40% розчині	-	-30	-23	-26	-23	+11	-38	-40
Температура кипіння, °с:
у 30% розчині	-	82	84	103	102	103	104	104
у 40% розчині	-	76	82	105	104	105	106	106
Можливість застосування для охолодження продуктів	так	ні	так	ні	так	так	так	так

Теплофізичні і корозійні властивості

Теплотворна здатність речовини визначається її об'ємною теплоємністю, питомою теплопровідністю, а також динамічною в'язкістю. Нетоксичні теплоносії з нижньою робочою температурою мінус 40°С слабо відрізняючись по об'ємній теплоємності, сильно розрізняються по динамічній в'язкості. Відомо, що динамічна в'язкість впливає на характер течії рідини в теплообміннику і величину гідравлічного опору. Чим вона вища, тим більше має бути потужність насоса для прокачування холодоносія.

Холодоносії на основі водних розчинів відрізняються найбільшою корозійною активністю по відношенню до металів через великий вміст у воді кисню, іонів кальцію і хлориду. Для зниження активності холодоносіїв на основі гліколю і органічних солей розроблені спеціальні речовини - інгібітори, які вже містяться в необхідних концентраціях в наявних на ринку холодоносіях. У таблиці 2.2 наведені інгібітори, які використовуються в холодоносіях.

Таблиця 2.2

Інгібітори для холодоносіїв

Назва інгібітору	Захисна дія на метал
Бензотріазол/толіптріазол	Мідь, латунь, м'які припої
Бура	Сталь, сірий чавун
Карбонати	Сталь, сірий чавун
Алкасилікати	Алюміній

У холодильних установках вузли, агрегати і окремі деталі зроблені з різних металів (міді, латуні, нержавіючій сталі, чавуну або алюмінію). Проте поки не існує універсального способу боротьби з корозією, тому застосовують інгібіторний пакет. У таблиці 3.2 наведені широко використовувані інгібітори, їх захисна дія основана на утворенні тонкої плівки на поверхні металу.

При розробці антикорозійних складів слід враховувати їх взаємний вплив. Відомі випадки, коли при помилках в дозуванні позитивна дія інгібіторів була нейтралізована. Велике значення також мають екологічні властивості і показники токсичності.

Для контролю антикорозійних властивостей холодоносіїв існує багато стандартних способів. У Європі з цією метою використовується стандарт ASTMD-1384-97, розроблений для перевірки морозостійкості рідин в двигунах автомобілів.

Рекомендації по оптимальному застосуванню

Безаварійний термін служби холодильної установки залежить від корозійного стану її агрегатів і вузлів. Тому при проектуванні треба правильно підбирати матеріали агрегатів, з урахуванням холодоносія та інгібітору, точно витримуючи концентрацію останнього.

Незалежно від якості води, яка підмішується, для холодоносіїв TYFOCOR потрібний вміст інгібітору не менше 20-25 об'ємних відсотків (температура замерзання мінус 10°С).

Для холодоносія TYFOXIT слід витримувати концентрацію 60 об'ємних відсотків, а холодоносій TYFOXIT F29-60 не розбавляють. Не рекомендується змішувати різні холодоносії, оскільки можливі реакції між інгібіторами.

Корозійна активність залежить від умов експлуатації холодильної установки. Присутність кисню в холодоносії прискорює процеси корозії в металі. Тому потрібна висока герметичність магістралей із заправленими холодоносіями. Дотримання правил монтажу і вакуумування можуть звести концентрацію розчиненого в холодоносії кисню до нуля.

Зараз на ринку з'явилися екологічно і токсично-безпечні холодоносії для проміжних контурів охолодження на основі органічних солей. Вони мають підвищені теплофізичні властивості, зокрема корозійну стійкість. Нові холодоносії використовуються з усіма металами, які застосовуються в холодильному устаткуванні та в системах з проміжним охолодженням. Їх широке впровадження сприяє зменшенню шкідливої дії на довкілля.