Антифриз в мультивалентных системах теплоснабжения

Современные системы теплоснабжения часто рассчитаны на использование в качестве теплоносителя подготовленной воды. В ряде случаев оговаривается возможность или, наоборот, недопустимость применения  низкозамерзающих растворов (антифризов). Но выбор  в качестве теплоносителя воды или антифриза обычно зависит от конкретных условий эксплуатации.

Свои преимущества есть и у воды (это отражено в рекомендациях производителей), и у низкозамерзающих жидкостей (это хорошо известно потребителям). Но существуют такие быстро развивающиеся системы теплоснабжения с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), в которых современные многокомпонентные смеси  выполняют сразу две функции – низкозамерзающего и высокотемпературного теплоносителя (рис. 1). И эти функции в принципе нереализуемы при использовании воды, замерзающей с увеличением объема на 11 % и закипающей при  температуре около 100 °С.

Рис. 1 Схема работы вакуумного гелиоколлектора

Причем нагрев теплоносителя до температур выше 130 °С, как ни парадоксально, возможен в мультивалентных системах с гелиоколлекторами (рис. 2), в составе которых часто функционируют низкотемпературные отопительные контуры, например, напольного отопления.

Рис. 2. Бивалентная система отопления с вакуумным гелиоколлектром

Антифриз для солнца

Под антифризом обычно подразумевают любой теплоноситель, имеющий низкую (ниже 0 oC) температуру фазового перехода «жидкость/твердое тело». В частности, этому критерию отвечают солевые или спиртовые растворы. А в промышленных установках в качестве высокотемпературного теплоносителя применяется масло. Формально оно не кристаллизуется вообще, но его физические характеристики при низких температурах меняются столь значительно, что собственно к антифризам его не относят. Кроме того, масло пожароопасно.

В бытовых системах теплоснабжения сегодня нашли применение водные растворы этиленгликоля, отличающиеся от автомобильного тосола набором присадок, диэтиленгликоля (плотность при 20 ˚С – 1116 кг/м3, удельная теплоемкость – 2,09 кДж/кг•˚К) и пропиленгликоля. Последний не только рекомендован для систем ГВС с бойлерами косвенного нагрева, но обязателен для них по европейским нормам. Этот раствор, в отличие от двух первых (0,1 дц3  раствора этиленгликоля при попадании в организм вызывает смертельное отравление), неядовит, но  имеет худшие физико-химические характеристики и большую стоимость. В табл. 1 можно видеть характеристики водных растворов (в скобках – вода) с 40 и 60 %-ным содержанием моноэтиленгликоля.

Таблица 1. Характеристики антифриза на основе этиленгликоля

Такие растворы, по сравнению с водой, имеют еще и более высокую коррозионную активность и вспениваемость. Это накладывает ряд ограничений на их использование и требует внесения различных присадок. А для бивалентных систем с гелиоколлекторами (ВИЭ), как вакуумными, так и плоскими, критичными становятся максимальные рабочие температуры.

В принципе они важны и для моновалентной системы теплоснабжения с традиционными теплогенераторами (котлами). В отличие от воды при превышении допустимой температуры происходит необратимое разложение гликолевых растворов. Если температура даже в одной точке системы превысит критическое для данной марки антифриза значение, произойдет термическое разложение гликоля и антикоррозионных присадок с образованием кислот и выпадением твердых осадков. При выпадении их на нагревательные элементы котла образуется нагар, который приводит к ухудшению теплообмена,  образованию новых осадков и  дальнейшему перегреву этих участков.

Образующиеся кислоты взаимодействуют с металлами системы отопления, инициируя их коррозию. Термическое разложение присадок приводит также к потере защитных свойств антифриза по отношению к материалу уплотнителей – резины, паронита и т. п., появлению течей в местах соединений. Перегрев антифриза вызывает и повышенное пенообразование, приводящее к завоздушиванию системы. Исключить перегрев можно, только тщательно контролируя режимы работы котла и всей системы отопления.

По эмпирическому правилу Вант-Гоффа скорость термического разложения увеличивается примерно вдвое при повышении температуры жидкости на 10 °С выше максимальной рекомендуемой. Соответственно, сокращается и возможный срок ее эксплуатации.

Присадки для повышенной температуры

Присадки  изменяют химические и физические параметры смеси – плотность, кинематическую вязкость, температуру кипения. Их объем может достигать 3–4 %, а количество – от 10 до 40 в высококачественных антифризах. Время жизни  карбоксилатных  присадок, лимитирующее и срок эксплуатации низкозамерзающих растворов, достигает десяти и более лет.

Карбоксилатными теплоносителями называют такие, у которых пакет присадок состоит из солей карбоновых кислот. Для них используются также другие названия: органические теплоносители, Organic Acid Technology или сокращенно OAT. 

Разработка пакета присадок – результат длительных научных исследований,  затратных экспериментов и испытаний. Такие работы выполнили ведущие мировые компании – DOW Chemical (США), Arteco (Бельгия), BASF (Германия), Clariant (Швейцария). Пакеты этих присадок представляют собой коммерческую тайну. Но присадки можно приобретать в виде суперконцентратов и производить на их основе карбоксилатные теплоносители под собственными брендами.

Так,  карбоксилатная присадка M-640 L содержит комбинацию контактных и летучих ингибиторов коррозии. Последние обеспечивают защиту от коррозии металла, не находящегося в контакте с ингибитором. Присадка не действует на резиновые и пластмассовые материалы.  Она применяется  концентрацией 2,0–2,5 мас. %   к воде (этиленгликолю, пропиленгликолю). M-640 L экологически безопасна и заменяет как силикаты, так и фосфатные/азотистокислые/аминосоединения.

Рис. 3.  Типы вакуумных гелиоколлекторов: а – с прямой; б – с косвенной подачей тепла

В солнечных коллекторах, особенно вакуумных (рис. 3 а, б), рабочие температуры часто превышают 100 °С. При атмосферном давлении большинство гликолевых растворов начинает кипеть примерно при 110 °C. Однако некоторые производители, например Clariant, указывают рабочие температуры значительно выше, до 150 ˚С. Проблему защиты от коррозии решают пакеты ингибиторов на основе композиции солей моно- и дикарбоновых кислот (карбоксилатная технология). Антифризы нового поколения не содержат силикатов, нитритов, нитратов, фосфатов, боратов и аминов.

Некоторые  характеристики коррозионной активности антифриза Antifrogen L на основе 1,2-пропиленгликоля приведены в табл. 2. При этом минимальная допустимая его концентрация  – 25 об.% (при –10 ºС), а диапазон рабочих температур при непрерывной эксплуатации от –25 до 150 ºС, возможно применение с пластиками/эластомерами. Продукт соответствует требованиям ч. 1 стандарта DIN 4757 для систем отопления на основе солнечной энергии с использованием воды или водных смесей в качестве теплоносителя.

Таблица 2. Коррозионная активность Antifrogen L, г/м²

Растворы с карбоксилатными присадками не только  имеют более длительный срок службы по сравнению с классическими гликолевыми антифризами, но и менее чувствительны к локальному перегреву (а он часто возникает в теплообменниках котлов, рассчитанных на «штатную» воду), выдерживают без разложения гораздо более высокую (на 50–80 % выше) температуру.

Рис. 4. Низкозамерзающий теплоноситель Thermagent EKO

Среди  таких низкозамерзающих этиленгликолевых растворов можно назвать «Hot Stream – Тепло Вашего Дома» («Техноформ», г. Климовск), Thermagent («Обнинскоргсинтез»), Arkton («Аметист+», г. Мытищи), Antifrogen N (Clariant, Швейцария). Однако, как уже отмечалось выше, в системах ГВС вообще и системах с ВИЭ  востребованы  теплоносители на основе пропиленгликоля – «Hot Stream – ЭкоПро» («Техноформ»), Thermagent EKO и Thermagent Sol («Обнинскоргсинтез»), Antifrogen L (Clariant) и др. Такие теплоносители (рис. 4) могут быть использованы в системах отопления, в том числе напольных,  гелиогеотермических мультивалентных системах.

Статья из журнала Аква-Терм №3/2017, рубрика "Отопление и ГВС"

вернуться назад

Читайте также:

Компания Forte Home GmbH увеличивает объем поставок стальных радиаторов Oasis

Трубопроводные системы Giacomini

Монтаж сплит-систем по правилам

Энергетическое использование отходов фанерного производства