54

Лекция № 13 Специальные технические жидкости

План лекции

1. Основные виды охлаждающих жидкостей.

2. Эксплуатационные требования к качеству охлаждающих жидкостей.

3. Вода как охлаждающая жидкость.

4. Низкозамерзающие охлаждающие жидкости.

5. Ассортимент низкозамерзающих охлаждающих жидкостей.

6. Тормозные жидкости.

7. Ассортимент и потребительские свойства.

8. Прочие технические жидкости.

1. Основные виды охлаждающих жидкостей

Технические жидкости применяются для различных целей: ох­лаждения двигателей, торможения и амортизации автомобилей, при­ведения в действие механизмов, силовых агрегатов и т.п.

Требования к качеству жидкостей настолько жестки, многооб­разны и специфичны, что для приготовления их используют много­численные химические соединения: гликоли, углеводороды, спирты, глицерин, эфиры и др.

В зависимости от назначения и свойств жидкости под­разделяются на: охлаждающие, для тормозных и гидравлических систем автомобилей, амортизационные и пусковые.

Назначение охлаждающих жидкостей - воспринимать и отводить тепловой поток от тех зон и деталей двигателя, перегрев которых вызывает нарушение нормальной работы или разрушение. Основной тепловой поток образуется теплотой, которая, согласно второму закону термодинамики, не может быть преобразована в механическую работу. Это та самая теплота, которая должна быть передана холодному источнику. Количество ее зависит от разности температур горячего и холодного источника при заданной массе и теплоемкости рабочего тела. Если бы удалось осуществить адиабатный (без обмена тепла) рабочий цикл, то такой двигатель мог бы работать без системы охлаждения: количество теплоты, которое должно быть отдано холодному источнику, удалялось бы из двигателя с отработавшими газами.

В настоящее время делаются попытки создать такой двигатель, рабочий цикл которого максимально приблизился бы к адиабатическому циклу.

К сожалению, в реальном двигателе часть теплоты, которая должна была бы при адиабатическом цикле превратиться в полезную работу, в процессе расширения рабочего тела отводится через стенки цилиндров, днища поршней, когда газ полностью не расширился, определенная часть теплоты отработавших газов уходит в систему охлаждения после их выхода из цилиндра. Отвод теплоты происходит через стенки выпускных каналов, находящихся в головке цилиндра и тоже омываемых охлаждающей жидкостью.

Наиболее точно определить количество теплоты, отводимое системой охлаждения, можно только экспериментальным путем, при оценке теплового баланса двигателя. Структура теплового баланса современных двигателей внутреннего сгорания показывает, что система охлаждения должна воспринять и рассеять в пространстве примерно 1/3 тепловой энергии сгоревшего топлива. Это очень большой поток теплоты, соизмеримый с потоком, уносимым отработавшими газами, и с теплотой, превращенной в полезную работу. Распределение теплоты в двигателе зависит как от его типа (бензиновый или дизель), так и от режима работы. В табл. 1 приведен типичный тепловой баланс при работе на номинальном режиме.

Таблица 1

Моторные масла и топливо тоже можно отнести к категории охлаждающих жидкостей, поскольку кроме прямых своих функций они способствуют охлаждению узлов и механизмов двигателя, а в ряде случаев их используют только для охлаждения поршней и других деталей.

Топливо. Являясь источником тепловой энергии в процессе сгорания, топливо до сгорания, благодаря теплоемкости и скрытой теплоте испарения в определенных условиях, может играть существенную роль в понижении тепловой напряженности двигателя. Эта особенность жидких топлив была замечена еще на самых ранних этапах развития двигателестроения и в ряде случаев широко использовалась для охлаждения теплонапряженных деталей и двигателя в целом. Особенно широко этой способностью топлив пользовались для понижения теплового режима высокофорсированных двигателей спортивных автомобилей и мотоциклов.

В автомобильных двигателях с системой непосредственного впрыскивания топлива в цилиндры факел топлива форсункой направляют всегда в сторону головки выпускного клапана. Этим обеспечивается быстрое и полное испарение топлива и одновременно охлаждение клапана.

В карбюраторных двигателях малой и средней степени форсирования (18—40 кВт/л) охлаждающую способность топлива обычно не используют; наоборот, для интенсивного и полного его испарения впускной трубопровод имеет систему подогрева (жидкостную или газовую), которая компенсирует понижение температуры во впускной трубе двигателя подводом теплоты.

В высокофорсированных двигателях (со степенью форсирования более 45—50 кВт/л) скрытую теплоту испарения топлива часто использовали для снижения их тепловой напряженности.

Особенно эффективно действуют как охлаждающие жидкости такие топлива, как этиловый (С₂Н₅ОН) и метиловый (СН₃ОН) спирты, обладающие высокой скрытой теплотой парообразования. Это свойство спиртов широко используют для снижения тепловой напряженности спортивных, автомобильных и мотоциклетных двигателей.

Снижение температуры повышает не только надежность работы двигателей, но и мощность их, так как благодаря понижению температуры горючей смеси увеличивается ее плотность на 20-25 %.

Для топлив, используемых как охлаждающие жидкости, важны такие физические свойства, как теплота испарения, теплопроводность и теплоемкость (табл. 2).

Таблица 2

Масло. Моторное масло в двигателе можно использовать как смазывающий и охлаждающий материал. Причем маслом охлаждают наиболее теплонапряженные детали двигателя и, в первую очередь, поршни, система масляного охлаждения которых может быть выполнена различно.

Наиболее простой способ - подача масла под давлением на внутреннюю поверхность днища поршня. Этот способ особенно удобен для двигателей средних размеров с диаметром цилиндров 100-150 мм, так как здесь не требуется специальной усложненной конструкции поршней. Форсунки, подающие масло, могут быть установлены неподвижно на картере двигателя или на верхней головке шатуна.

Второй способ масляного охлаждения поршня называют «взбалтыванием». Для этого в верхней внутренней полости поршня выполнена специальная чашеобразная полость, в которую через форсунку, установленную в верхней головке шатуна, подается масло. Благодаря силам инерции это масло взбалтывается и интенсивно омывает верхнюю внутреннюю поверхность поршня, охлаждая ее.

Наиболее сложны и самые эффективные — циркуляционные и смешанные системы, их применяют обычно в тепловозных и судовых двигателях большой мощности с диаметром цилиндров более 200-250 мм.

В табл. 3 приведены данные, показывающие снижение температуры поршня в двух наиболее характерных точках: в середине днища со стороны камеры сгорания и в канавке верхнего поршневого кольца.

Таблица 3

Для предварительных расчетов систем масляного охлаждения, кроме вязкости масел, которая оказывает решающее влияние на гидродинамические течения, необходимо знать их теплоемкость и теплопроводность. Теплоемкость масла примерно в 2 раза меньше теплоемкости воды и зависит от его плотности и температуры. Зависимость теплоемкости от температуры следует учитывать обязательно, так как в режиме охлаждающей жидкости масло может нагреваться до высоких температур (100-150 °С).

Вода. Вода замерзает при 0 °С и при этом примерно на 10% увеличивается в объеме. Образующийся лед давит на стенки системы охлаждения, что может привести к разрушению двигателя и радиатора. Поэтому при эксплуатации двигателей в холодное время года во время стоянок периодически приходится прогревать двигатель, а при длительных остановках — сливать воду из системы охлаждения. Вода при нормальном давлении кипит при 100 °С. Небольшая разница между температурой кипения воды и оптимальной температурой в системе охлаждения (80-85 °С) также создает ряд дополнительных трудностей при эксплуатации двигателей, так как наблюдаются большие потери воды при ее испарении. Это особенно сильно сказывается при перегрузках двигателя и его работе в высокогорных районах, где из-за снижения барометрического давления вода кипит при более низких температурах.

Наличие в воде растворенных газов и некоторых солей вызывает коррозийное разрушение металлов и сплавов. Высокой коррозийной активностью обладают кислород, углекислый газ и сероводород, поэтому пользоваться водой из источников нельзя. Основное наиболее неприятное свойство воды - возможность образования накипи и шламов в системе охлаждения. Накипь уменьшает сечение каналов, имеет в 10-15 раз меньшую теплопроводность, чем металл, что ухудшает отвод тепла. Чем плотнее и тверже слой накипи, чем больше ее высота, тем сильнее нарушается тепловой режим двигателя и больше расходуется топлива и смазочных материалов.

Умягчение воды. Известны различные методы умягчения воды, их выбирают в зависимости от свойства природной воды и тех требований, которые предъявляются к ее качеству. Наиболее простой способ умягчения воды - ее предварительное кипячение, при этом основная масса солей карбонатной жесткости разлагается и выпадает в осадок. Прокипяченную воду нужно профильтровать через плотную ткань для удаления выпавших осадков и фильтрованной водой заполнить систему охлаждения двигателя.

Имеются многочисленные химические способы умягчения воды. К жесткой воде добавляют (предварительно рассчитанное) количество химических реагентов. Все соли как карбонатной, так и некарбонатной жесткости переводят в осадок, который удаляют отстаиванием или фильтрацией. Известно много реагентов, с помощью которых соли жесткости переводятся в осадки: умягчение с помощью растворов соды (Na₂C0₃) низвести [Са(ОН)₂], широко применяется тринатрийфосфат (безводный) (Na₃P0₄), его добавляют в количестве 55 мг на каждый мг-экв/л жесткости. Используют гексаметофосфат [(NaP0₃)₆] и другие реагенты.

Наиболее распространены сравнительно новые методы ионного обмена, например катионитовый метод. Катионитами называются вещества, которые могут обменивать свои катионы на катионы солей жесткости. Известны Na-катионирование и Н-катионирование, в первом случае катионы жесткости Са и Mg обмениваются на катионы Na, а во втором — на катионы водорода. При этих способах умягчения накипь не образуется, но в первом случае повышается щелочность воды, так как в умягченной воде накапливается много легкорастворимых солей натрия, а во втором — кислотность из-за накопления водородных катионов.

Для умягчения применяют активные смолы и полимеры, характеризующиеся сильной адсорбционной способностью по отношению к катионам (пластмассы на основе формальдегида и фенола) или к анионам (пластмассы на основе формальдегида и мочевины). При обработке жесткой воды такими ионитами легко получить дистиллированную воду, из морской воды — питьевую, можно опреснить и очистить сильно засоленные воды.

Методы подготовки воды (химические, ионный обмен), применяемые на тепловых станциях, требуют специального оборудования, высокой квалификации обслуживающего персонала, химических реагентов, что затрудняет их внедрение в условиях сельского хозяйства. Имеющиеся более простые методы — умягчение воды настоем сена, золы, зеленой травы и др. — несовершенны, поэтому в практике эксплуатации машинно-тракторного парка широкого распространения не имеют, несмотря на очевидную необходимость умягчения воды.

Для условий автотранспортных предприятий может быть перспективным метод магнитной обработки воды, сущность которого сводится к пропуску воды через силовые линии магнита или электромагнита. При этом соли жесткости, образующие накипь, выделяются в виде твердой фазы — шлама, который легко удалить фильтрацией воды.

Несмотря на простоту метода и широкое его применение, существуют противоречивые мнения о его эффективности, так как при умягчении одних вод результаты хорошие, а других нет. По-видимому, это объясняется тем, что до сих пор нет достаточно убедительных теоретических представлений о механизме действия магнитного поля на умягчаемую воду. Нашими и зарубежными учеными разработан ряд гипотез, большинство из которых утверждает, что магнитное поле действует на ионы солей, растворенных в воде, происходит их поляризация, способствующая образованию центров кристаллизации.

Магнитная обработка эффективна, если вода нестабильна, т. е. пересыщена по карбонату кальция.

Если нет возможности использовать в системе охлаждения мягкую воду, то можно непосредственно в двигатель вводить присадки, предотвращающие образование накипи. В этом случае широко используется хромпик (К₂Сг₂0₇). При жесткости воды 8-9 мг-экв/л его добавляют до 10 г на 1 л воды. Эффективны фосфаты натрия (NaP0₃)₆ и Na₃P0₄. Эти вещества переводят накипеобразующие соли Са и Mg в рыхлые осадки, циркулирующие вместе с водой и легко удаляемые при промывке системы охлаждения. Кроме того, некоторые присадки на поверхности деталей образуют оксидные пленки, предохраняющие металл от коррозии.

Следует помнить, что в системе охлаждения одну и ту же воду без присадок нужно использовать возможно более длительное время и реже ее сливать. После промывки системы охлаждения в нее нужно опять заливать ту же воду (слитую), так как накипь, образовавшаяся при первом использовании воды, в дальнейшем уже увеличиваться не будет (если не добавлять жесткую воду).

Таблица 4