Антифриз в автономных системах теплоснабжения

Что лучше в системе отопления: вода или антифриз? И если вода лучше, почему так часто потребителей интересует возможность применения «незамерзайки»? Если антифризы востребованы, то почему производители высокоэффективных котлов конструируют их в расчете на воду? От квалифицированного ответа на эти отнюдь не риторические вопросы напрямую зависит надежность теплоснабжения.

Большинство ведущих производителей современных бытовых котлов указывают, что в качестве теплоносителя должна использоваться прошедшая подготовку вода. В ряде случаев оговаривается возможность или, наоборот, недопустимость, вплоть до снятия теплогенератора с гарантии, применения антифризов. К сожалению, иногда потребитель узнает это только при внимательном изучении технической документации.

Казалось бы, преимущества воды неоспоримы: во-первых, это штатный теплоноситель, во-вторых, дешевый и доступный, в-третьих, имеющий высокую теплоемкость и низкую вязкость, в-четвертых, сравнительно более низкую коррозионную активность. Однако все эти очевидные преимущества перекрываются одним существенным недостатком: ниже 0°С вода кристаллизуется, переходя в твердое состояние – лед. Происходит это со значительным увеличением объема (11%) и создаваемым давлением 2500 бар. И если это не всегда приводит к разрывам, неустранимым дефектам полимерных или медных трубопроводов, то лед в теплообменнике котла или отопительном приборе – «смертный» приговор этим устройствам и, на практике, выход из строя всей системы теплоснабжения (рис. 1), необходимость ее длительного и дорогостоящего ремонта.

Рис. 1. Результат замерзания теплоносителя в системах водяного отопления

Особенности терминологии

Принципиально, под антифризом понимается любой теплоноситель, имеющий низкую (формально, ниже 0°C, на практике от –10–15°С) температуру кристаллизации. Таких жидкостей известно много. Например, это могут быть различные солевые или спиртовые растворы. Сколько-нибудь широкого применения в системах теплоснабжения с теплогенераторами они не нашли из-за своих принципиальных особенностей (нестабильности при нагреве, выпадении солей, коррозионной активности и др.).

В промышленных установках в качестве высокотемпературного теплоносителя применяется также масло, не кристаллизующееся даже при очень низкой температуре, но оно в этом случае не позиционируется как антифриз. Иногда уже в этом качестве его пробуют заливать и в бытовые автономные системы теплоснабжения. Но ни к рекомендуемым, ни даже к допустимым антифризам масло отнести нельзя, в частности, из-за повышенной пожароопасности.

Все используемые в бытовых отопительных системах «незамерзайки» можно подразделить на водные растворы моноэтиленгликоля (этиленгликоля), в основном отличающиеся от автомобильного тосола набором присадок, диэтиленгликоля (физико-химические свойства которого сходны с первым: плотность при 20°С – 1116 кг/м3, удельная теплоемкость – 2,09 кДж/кг×°К) и пропиленгликоля, достоинство которого – нетоксичность, а недостаток – бớльшие кинематическая вязкость и стоимость.             Антифризы на основе пропиленгликоля появились в России сравнительно недавно как реакция производителей на токсичность этиленгликолевых растворов: 100 мл антифриза на основе этиленгликоля, попавшие в организм, могут вызвать смертельное отравление. Конечно же, чайник не наполняют из батарей, но ядовиты и пары этиленгликоля, антифриз может протекать через места соединений, а также попасть через теплообменник в контур ГВС.

Часто возникает путаница между понятиями «антифриз» и «тосол». Тосол – название автомобильной охлаждающей жидкости, разработанной в 1971 г. для автомобилей ВАЗ. Первые три буквы аббревиатуры – отдел «технологии органического синтеза», а окончание «-ол» добавлено по аналогии с этанолом, бутанолом, метанолом.

За рубежом же термин «антифриз» первоначально применялся к концентрату, который добавляли к воде в системе охлаждения ДВС. При этом акцентировалась лишь его морозозащитная, сезонная функция, не отражающая его свойств как теплообменной среды, которая предохраняет систему от коррозии и повреждений при всех эксплуатационных условиях. Термин engine coolant concentrate («двигательный охладитель концентрированный») охватывает все эти условия и в настоящее время предпочтителен для автомобильной «незамерзайки», а для систем теплоснабжения остался антифриз, который иногда противопоставляется автомобильному тосолу.

Залитый в отопительный контур, последний может стать причиной быстрого выхода из строя теплообменников, трубопроводов и отопительных приборов в связи с тем, что пакеты присадок не рассчитаны на эксплуатацию в системах отопления.

Все его параметры регламентирует ГОСТ 28084-89 «Жидкости охлаждающие и низкозамерзающие. Общие технические условия», который распространяется на охлаждающие низкозамерзающие жидкости, предназначенные для охлаждения ДВС, а также в качестве рабочих жидкостей в других теплообменных аппаратах, работающих при низких и умеренных температурах. В документе оговаривается, что под жидкостями понимаются «водные растворы этиленгликоля по ГОСТ 19710 или гликолевых и водно-гликолевых потоков его производства, представляющих собой этиленгликоль с массовой долей воды до 30% с антикоррозионными, антивспенивающими, стабилизирующими и красящими присадками». Но не регламентированы их состав и концентрация, смешиваемость жидкостей, срок службы, условия ресурсных испытаний. К тому же,  производимый по различным ТУ тосол может на поверку оказаться просто раствором этиленгликоля.

Особенности применения

Не кристаллизирующиеся при низких температурах (до –68°С в зависимости от концентрации) этилен- и пропиленгликолевые антифризы имеют и отличающиеся от воды физико-химические свойства, ухудшающие их параметры как теплоносителя.

Более низкой теплоемкостью, более высокими вязкостью, коэффициентом объемного расширения и склонностью к протечкам негативные качества антифризов, увы, не исчерпываются. Они, по сравнению с водой, имеют еще и более высокую коррозионную активность и вспениваемость, что не только накладывает ряд ограничений на использование (например, в системах с алюминиевыми отопительными приборами или с оцинкованными трубами), но и требует внесения различных добавок-ингибиторов.

Важнейший параметр для антифризов – максимальные рабочие температуры. Так, кипеть при атмосферном давлении большинство этиленгликолевых растворов начинает при 104–112°C. Принципиальное значение этот параметр имеет потому, что в отличие от воды при превышении допустимой температуры происходит необратимое разложение гликолевых растворов. Если температура даже в какой-либо 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 приведет 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 также вызывает повышенное пенообразование, приводящее к завоздушиванию системы. Исключить перегрев можно, только тщательно контролируя режимы работы котла и системы отопления.

Основные марки

К числу наиболее распространенных в отечественных автономных системах отопления и кондиционирования антифризов относятся водные растворы этиленгликоля и пропиленгликоля с антикоррозионными, антипенными, антиокислительными, термостабилизирующими и повышающими инертность к уплотнительным материалам присадками. В них допускается добавление водопроводной воды для повышения температуры кристаллизации. Например, добавление еще 30% воды в теплоноситель с температурой начала кристаллизации –31°C и замерзания –44°C повышает начало кристаллизации до –20°С при соответственном увеличении теплоемкости, уменьшении кинематической вязкости, коэффициента объемного расширения и, главное, стоимости теплоносителя.

Антифризы с цифрами 60 или 65 в названии – это концентраты, которые при заправке в отопительную систему предполагают разбавление водой (вряд ли где-нибудь, кроме Антарктиды, актуальна температура начала кристаллизации ниже 65°С). Кроме того, при эксплуатации растворы допускают снижение температуры ниже начала кристаллизации на 10–15°С, существуя в этом температурном интервале в виде шуги (конгломерат твердой и жидкой фаз) и не разрушая трубопроводы и теплообменники.

Результаты испытаний, наиболее распространенных на российском рынке антифризов, проведенных в 2019 г., приведены в табл. 1.

Таблица 1. Результаты испытаний теплоносителей (на 2019 г.)

Секрет в присадках

Как уже говорилось, некорректно называть антифриз, предназначенный для отопительных систем, тосолом. Весь секрет в присадках, без добавления которых просто разбавленный в той или иной пропорции водой этиленгликоль превращается в жидкость высокой коррозионной активности (в сотни раз выше, чем у воды) и накипеобразования. Заливка ее в отопительный контур – «гарантия» быстрого выхода из строя теплообменников, арматуры, трубопроводов и отопительных приборов. Именно присадки сообщают качественным антифризам такие свойства, как предотвращение коррозии стали, чугуна, меди, латуни, алюминия и припоя, способность удалять накипь и предотвращать ее появление, безвредность для уплотнительных материалов и длительный срок эксплуатации.

Присадки могут изменять не только химические (для того они вносятся), но и физические параметры смеси, например, плотность или кинематическую вязкость. Однако в большинстве случаев для расчетов гидравлических схем и теплоотдачи приборов достаточно знать, из какого вещества приготовлен антифриз, и его концентрацию.

Объем присадок может быть различен и достигать 3–4%, но обычно не превышает 2%. Количество их также сильно различается у различных производителей – от 10 до 40 в высококачественных антифризах. Время жизни присадок (а именно оно лимитирует срок безопасной эксплуатации гликолевых растворов) также различно – от четырех-пяти до 10  лет. Однако эти цифры относятся к штатным условиям эксплуатации, и даже кратковременный (или локальный) перегрев может их значительно сократить.

В традиционных «незамерзайках», например, тосоле, коррозионная защита обеспечивается силикатами, боратами и нитритами. В ряде случаев в качестве парофазного ингибитора коррозии используются амины. Существуют бессиликатные ингибиторы для защиты алюминия, меркаптобензтиазол натрия применяется для защиты меди и латуни, бораты или фосфаты для поддержания pH.

В качестве ингибитора кавитационной коррозии обычно используют нитрит. Но помимо того, что он может взаимодействовать с аминами и образовывать канцерогенные вещества, он имеет и другие недостатки. Например, быстрое падение его содержания, переход в неактивные формы. А увеличение его концентрации приводит к коррозии алюминиевых сплавов и припоя.

Значительно лучше 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. Ингибиторы образуют более тонкую защитную пленку на поверхностях и расходуются в основном только в случае возникновения очагов коррозии. Именно этим обуславливается более длительный нормативный срок эксплуатации антифризов с такими присадками.

Статья из журнала "Аква-Терм" №6/2019

вернуться назад

Читайте также:

Канализационные установки

Как накопить и сохранить электроэнергию

Гидравлическая балансировка отопительных систем

Мультизональные системы кондиционирования для зданий в кварталах исторической застройки