Тенденции в производството на антифриз
В момента карбокиселинните антифризи от ново поколение са най-прогресивните от всички видове антифризи на пазара. А как точно се развива това направление?
Свойства и технически характеристики
Антифриз (от англ. freeze – «замръзвам») – това е събирателно понятие, означаващо някаква течност с ниска температура на замръзване, използвана за охлаждане на двигатели с вътрешно горене, промишлени топлообменници и други установки (в това число и отоплителни), работещи при температури под 0°С.
Автомобилни антифризи – нискозмръзващи охлаждащи течности (ОТ) използвани в системите за охлаждане на автомобилите.
Състав на антифриза (опростен):
- основа
- комплекс от присадки
Основа на антифриза – водно-гликолева смес, от която зависи способността на антифриза да не замръзва при ниски температури, отделяната топлоемкост, вискозитет и въздействие на гумените съединения. Най-разпространените охлаждащи течности са на основата на етиленгликол. Неговият воден разтвор, обаче е агресивен към материалите на охладителната система (стомана, чугун, алуминии, мед, месинг и припой).
Комплекс от присадки – това е набор от противокорозионни (инхибитори), антиразпенващи, миещи и стабилизиращи компоненти. Освен това, могат да присъстват и ароматизиращи компоненти.
Най-често в техниката се използват антифризи, съдържащи 52,6% и 66% етиленгликол и ред противокорозионни присадки. Известни са и антифризи на водно-глицеринова основа. Така, смес от 70% (по маса) глицерин и 30% вода замръзва при -40 °С, обаче отстъпва на етиленгликоловите антифризи по вискозитет и топлофизически свойства. Понякога се използват и водни разтвори на метилов, етилов и изопропилов спирт; 50%-ен разтвор на метанола замръзва при -43 °С, има нисък вискозитет, но се изпарява лесно. В редица случаи, например в топлообменниците за антифриз се използват водни разтвори на соли. Недостатъците на тези антифризи са високата корозийна активност и кристализацията на солите при изпарението на водата.
Най-разпространените съвременни антифризи са нискозамзръзващите водни разтвори на етиленгликола. Чистия етиленгликол е мазна течност, сладка на вкус с температура на кипене 196° С и замръзване минус 12,3° С. Количеството етиленгликол в ОТ обикновено съставлява 52-64%, при това се получните разтвори имат температура на замръзване от минус 32 до минус 70°С. За да се избегнат недостатъците на ОТ като агресивност към гума, метал и ниски смазващи свойства в тях се вкарват антикорозионни, противоразпенващи и други присадки.
Свойствата на водата като топлоносител (топлопроводност, топлоемкост и вискозитет) са доста по-добри от тези на етиленгликола, което се вижда от таблицата за сравнение на свойствата им. Обаче използването на гликолеви разтвори позволява съществено да се понижи температурата на замръзване, в което се състои основния смисъл при използването на антифриза.
Сравнителна характеристика на физико-химичните свойства на водата и моноетиленгликола
Показател | Вода | МЕГ |
Моларна маса | 18,01 | 62,07 |
Плътност при 20°С, кг/м3 | 998,2 | 1113 |
Температура на замръзване, °С | 0 | -12 |
Температура на кипене при 0,1 МПа, °С | 100 | 197,7 |
Теплоемкост при 20°С, кДж/(кг*°С) | 4,184 | 2,422 |
Коефициент на топлопроводимост, кДж/(ч*м*°С) | 2,179 | 0,955 |
Вискозитет при 20°С, мм2/с | 1,0 | 19-20 |
Отделяна топлина при изпарение, кДж/кг | 2,258 | 0,800 |
Коефициент на обемно разширение (0-100 °С) | 0,00046 | 0,00062 |
Механизма на действие на водните разтвори на етиленгликола е представен на рисунката, показваща зависимостта на температурата на замръзване от процентното съдържание на етиленгликол (крива на кристализация).
Свойства на водните разтвори на етиленгликола
Концентрация на етиленгликол, % по маса | d420 | Т-ра на замръзване, оС |
26,4 | 1,0340 | -10 |
36,4 | 1,0506 | -20 |
45,6 | 1,0 27 | -30 |
52,6 | 1,0713 | -40 |
58,0 | 1,0780 | -50 |
63,1 | 1,0833 | -60 |
66,0 | — | -65 |
66,7 | 1,0856 | -75 |
72,1 | 1,0923 | -60 |
78,4 | 1,0983 | -50 |
Температура на замръзване на водно-гликолевите смеси
Към автомобилните антифризи са предявени следните изисквания:
- Висока теплоемкост и топлопроводимост
- Ниска температура на замръзване (безопасна експлоатация на автомобила практически при каквито и да е отрицателни температури на околния въздух)
- Висока температура на кипене (нормална работа на двигателя в лятно време)
- Висока температура на възпламеняване (обезпечава безопасност при използване)
- Нисък вискозитет, особено при ниски температури (високия вискозитет затруднява циркулацията и понижава топлообмена)
- Ниска пенливост (при висока пенливост се понижава топлообмена, възможно е прегряване на двигателя и образуване на парни дупки)
- Ниска корозионна активност (този показател се явява един от решаващите при оценката на качеството на антифриза)
- Инертност към гумените маркучи и уплътнения.
Общоприети класификации (спецификации) като, например, в областта на моторните масла (API, ACEA) не съществуват. Изискванията, достатъчно силно се разминават по някои точки и официалните изисквания на автопроизводителите на могат да се покрият от едно (за всички видове двигатели) качество.
Охлаждащите течности могат да се разделят на три типови групи:
- Basic (основни)
- Средства, не съдържащи нитрити – освен това в тях могат да отсъстват амини и/или фосфати
- Средства, не съдържащи силикати – освен това в тях могат да отсъстват амини и/или фосфати и/или нитрити
Техническите изисквания към западните концентрати ОТ (разбирай правени извън Русия) за леки и товарни автомобили са отразени в ASTM D 3306 («Технически условия за охлаждащи течности на етиленгликолова основа за автомобили с леки условия на експлоатация»), а за тежкотоварни автомобили и тежка техника – в ASTM D 4985 («Технически условия за охлаждащи течности на етиленгликолова основа с ниско съдържание на силикати за двигатели с тежки условия на експлоатация»), изискващи начално въвеждане на допълнителна добавка към охлаждащата течност Supplemental Coolant Additive (SCA).
Освен общите стандарти, много производители на автомобили използват свои спецификации, с допълнителни изисквания. Например, нормите на General Motors USA – Antifreeze Concentrate GM 1899-M, GM 6038-M, или системата от нормативи G на концерна Volkswagen:
- G 11 – за леки коли или лекотоварни автомобили (неорганични присадки, допуска се присъствието на силикати)
- G 12 – за тежка техника или нова автотехника (органични присадки, включват се карбокиселинни съединения, отсъствие на силикати)
Информацията за отсъствие на силикати (free of silicate или silicate free) има важно значение при използването на ОТ в двигателите на тежката техника. При високи температури силикатите са способни да се превръщат в гелообразни отлагания, задръстващи тесните канали на системата за охлаждане. Такива документи често забраняват да се вкарват в антифриза инхибитори против корозия, съдържащи нитрити, нитрати, амини, фосфати и уговарят максимално допустимите концентрации на силикати, боракс и хлориди. Нитрит-нитратите, взаимодействайки с амините образуват токсични съединения, при което някои от тях са канцерогенни. Ограничаването съдържанието на фосфати, силикати, боракс намалява отлаганията в системата за охлаждане, увеличава срока на служба на уплътненията на водната помпа, повишава защитата от кавитационна корозия.
Технология за производство на охлаждаща течност
Технологията за производство на охлаждащи нискозамръзващи течности включва в себе си стадии за смесване на основата (спирт), вода, пакет от присадки и последващо пакетиране.
По време на първия стадии се приготвя концентрата от гликол с присадките. След това приготвения концентрат преминава през многостепенно пречистване. След това концентрата се разрежда с химически пречистена вода в строго определена пропорция.
След това вече готовия антифриз през филтри стъпва на линията за разливане, където се опакова в полиетиленови шишета или варели.
За производство на качествена охлаждаща течност с определен набор параметри е необходим щателен контрол за дозировката и качеството на смесените компоненти. Особеността на производството на охлаждаща течност се явява факта, че този процес изисква не чак толкова сложно оборудване, колкото качествени компоненти. Именно от това зависи качеството на продукта.
Развитието на технологиите за производство на охлаждащи течности е свързано именно с разработката и усъвършенстването на присадките, препятстващи агресивното влияние на водно-гликолевата смес на охлаждащата система.
В традиционната технология за производство на охлаждаща течност се използват антикорозионни присадки на основата на силикати, амини и нитрити. С усъвършенстването на автомобилните двигатели и появяването на нови материали, традиционните охлаждащи течности започнаха да остаряват. Разработени са нови видове присадки към ОТ, които съдържат само съединения на органични карбонови киселини (карбокиселинна технология – OAT, Organic Acid Technology).
Класификация на технологиите за производство на антифриз
Технология | Традиционна | «Хибридна» | OAT |
Състав | Само минерални инхибитори | Минерални и органични | Само органични инхибитори |
Европейско изпълнение | Съдържа амини или нитрити и/или силикати в качеството си на основни инхибитори | Съдържа силикати и понякога една огранична киселина nitrite free – «NF» (VW G11) | Съдържа само органични инхибитори silicate/nitrite free«SNF» (VW G12) |
Други изпълнения | Япония – силикатите са традиционен инхибитор Европа и САЩ – фаосфатите са традиционен инхибитор | В САЩ някои традиционни европейски ОТ се считат за „хибридни“ (бензоат/силикатни ОЖ) | P-OAT: Японска «ELC» органична киселина+фосфати N-OAT: САЩ «ELC» може да съдържа нитрити и молибдати |
Еволюция на технологиите за производство на антифриз
ТехнологияКомпонент | Традиционни | Хибридни | Карбокиселинни (ОAT) | ||
САЩ | Европа | Япония | |||
Фосфорна к-на | + | + | |||
TTZ | + | TTZ или BTZ | TTZ, BTZ, MBT | TTZ или BTZ | TTZ |
Метасиликат на натрия | + | + | + | + | |
Нитрат на натрия | + | + | + | + | |
Боракс | + | ||||
Бензоат на натрия | + | + | |||
Нитрит на натрия | + | ||||
Карбонови киселини | + | + | + |
Към недостатъците на традиционната технология могат да се отнесат: бързия разход на инхибиторите, влошен топлообмен, недостатъчна защита от високотемпературна корозия, висока токсичност. При използването на карбокиселиннни технологии се увеличава срока на служба на ОТ, повишава се ефективността на топлообмена, повишена защита на алуминия при високи температури в съвременните двигатели, екологична безопасност. Антифризи, произведени по дадената технология, първи на пазара пуснаха големите западни производители: TEXACO, BASF, PRESTONE, Castrol.
Строгите изисквания към ОТ са пряко свързани с ресурса на двигателя, елементите на охлаждащата система, мощността и разхода на гориво. С въвеждането на новите екологични норми (Евро-3, Евро-4 и Евро-5), карбокиселинните ОТ получиха още по-голямо разпространение.
По-долу са приведени данните от изследване на Arteco, демонстриращи еволюцията на ОТ в Европа.
Еволюция на пазара на охлаждащи течности в Европа по технологии (леки автомобили))
Еволюция на пазара на охлаждащи течности в Европа по технологии (тежкотоварни автомобили)
Нови направления в производството
След изчерпването на възможностите по усъвършенстването на силикатните ОТ беше разработена карбокиселинната технология за производство. В дадения момент карбокиселинните антифризи от ново поколение се явяват най-прогресивните от всички видове ОТ.
На основата на карбокиселинните технологии се разработват различни модификации на присадките към антифриза с цел подобряване на експлоатационните им свойства. В частност Honeywell предлагат да се усили ефективността на карбоновите киселини по пътя на добавяне в състава на инхибитора на графт-полимери. Дадената технология предполага използването на ароматни триазоли, в частност тотилтриазол, а също така и полимер на основа на алкипенов окис и непределна карбонова киселини в качеството си на свиващ агент.
Освен значителните свойства при защитата против корозия и кавитационна ерозия инхибиторът Honeywell подобрява и защитата на алуминия от корозия, също така присаждането на свития полимер работи като смазващо-охлаждаща течност, понижавайки износването и триенето и нарушението на геометричността на водната помпа.
Като цяло, разработките, предполагат съвместно използване на карбонови киселини и традиционните триазол/тиазол и се срещат най-често, особено в САЩ, но използването на графт-полимери повишава тяхната ефективност.
Друго направление при усъвършенстването на характеристиките на ОТ се явява промяната на тяхната основа. Например, антифризи на основата на пропиленгликол вече се произвеждат в значителни количества, а в областта на битовите антифризи в някои страни те постепенно изместват традиционните моноетиленгликолови.
Покрай пропиленгликола, някои компании предлагат използването на други нетоксични спиртове, в частност 1,3-пропиленгликол (Shell). Той има същите физико-химични свойства, но се характеризира с по-нисък вискозитет и голяма термична устойчивост.
В САЩ голямо внимание се отделя на безопасността на ОТ. В тази връзка изследователите разглеждат в качеството си на основа за ОТ етанол. В частност се предлага използването на воден разтвор на етанол в съчетание с водноразтворими натриеви соли на амбърна и оцетна киселина. Дадената ОТ се явява биоразложима, нетоксична и има температура на замръзване по-ниска от -30ºС.
Източник: www.newchemistry.ru
Leave a Reply
Want to join the discussion?Feel free to contribute!