О применении антифризов в системах отопления

Лучше или… хуже воды?

  Часто потребителей интересует возможность применения антифризов в автономном теплоснабжении. Причем в некоторых случаях альтернативы «незамерзайке» практически нет. Поэтому несмотря не только на робкое «не рекомендуется», но и на категорическое «не допускается» производителей современных котлов, отечественные потребители заливают в автономные системы теплоснабжения низкозамерзающий теплоноситель. Вода – дешева, ее не нужно приобретать в магазине, у нее по сравнению с гликолевыми растворами более высокая теплоемкость и низкая вязкость, она «толерантнее» к соединениям и внутренней поверхности труб, но кристаллизуется при отрицательной температуре. При этом объем возрастает на 11 %, а давление при фазовом переходе достигает 2500 бар. В бытовых отопительных системах применяются в основном водные растворы моноэтиленгликоля (этиленгликоля) и пропиленгликоля. Последний нетоксичен, но дороже и имеет более высокую кинематическую вязкость. Гликолевые растворы в зависимости от концентрации кристаллизуются при температурах до – 68 ˚С. Причем, даже замерзая, они образуют шугу (смесь твердой и жидкой фаз). На практике обычно применяют примерно либо 40-процентные, либо 60-процентные водные растворы (рис. 1). 

  Использовать теплоноситель высокой концентрации с запасом по нижней температуре нерационально не только с точки зрения экономической, но и из-за ухудшения физико-химических характеристик с ростом концентрации гликоля. Интересно, что с дальнейшим, выше 70 % ростом концентрации гликоля, температура кристаллизации начинает возрастать и примерно к 90 % она становится –15 °С (рис. 2). 

   Для климатических условий Украины допустимо и даже целесообразно разбавление гликолевого раствора водой. Например, добавление 30 % воды в Dixis30 (начало кристаллизации –31 и замерзания –44 °C) повышает температуру кристаллизации до –20 ˚С. Однако ни при такой температуре, ни даже при –30 °С размораживание системе не грозит, потому что гликолевые растворы не образуют сплошного кристалла. А вот увеличение теплоемкости, уменьшение кинематической вязкости, коэффициента объемного расширения при соответствующем уменьшении удельной стоимости теплоносителя – будет достигнуто. Для антифриза принципиальны максимальные рабочие температуры, потому что, в отличие от воды, он: 
а – сепарируется при кипении; 
б – необратимо разлагается на другие вещества; 
в – присадки, делающие антифриз пригодным для эксплуатации в качестве теплоносителя, теряют свои свойства.     Температура кипения большинства гликолевых растворов при атмосферном давлении – 104–112 °C. Однако некоторые производители, например, Clariant, указывают рабочие температуры значительно выше, до 150 ˚С. Если температура даже в какой-либо точке системы превышает критическое для данной марки антифриза значение, то происходит термическое разложение гликоля и антикоррозионных присадок с образованием кислот и выпадением твердых осадков, образующих нагар. Последний ухудшает теплообмен, образуются новые осадки и дальнейший перегрев части теплообменника, угрожающий его разрушением. Образующиеся кислоты взаимодействуют с металлами системы отопления, инициируя их коррозию. Термическое разложение присадок приводит к потере защитных свойств антифриза по отношению к материалу уплотнителей – резине, парониту 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. Среди наиболее распространенных марок антифризов – «Технология Уюта», «Хот Блад М», Dixis , EcoTHERM, Felix (рис. 3). 

  Теплоносители с карбоксилатными присадками имеют длительные сроки службы (до 10 лет) и рассчитаны на более высокие рабочие температуры. Поэтому они успешно применяются в солнечных коллекторах. Это марки – «Hot Stream – Тепло Вашего Дома», Antifrogen N, Arkton,Thermagent. Отдельную группу составляют теплоносители на основе пропиленгликоля (они нетоксичны и поэтому рекомендованы для использования в контуре ГВС) – Dixis Top, «Hot Stream – ЭкоПро» , Thermagent EKO и Thermagent Sol, Antifrogen L. Антифризы нового поколения с карбоксилатными присадками не содержат силикатов, нитритов, нитратов, фосфатов, боратов и аминов. В них используются пакеты ингибиторов на основе композиции солей моно- и дикарбоновых кислот. Так, Antifrogen L на основе 1,2-пропиленгликоля при минимальной допустимой концентрации 25 об.% (при –10 °С) имеет диапазон рабочих температур при непрерывной эксплуатации от –25 до 150 °С и допускает возможность применения с пластиками/эластомерами. Объем присадок может быть различен и достигать 3–4 %. Количество их также сильно различается, время жизни присадок в штатных условиях эксплуатации – от четырех до десяти лет. Присадки могут изменять не только химические, но и физические параметры смеси, например, плотность или кинематическую вязкость. Однако для расчетов гидравлических схем и теплоотдачи приборов достаточно знать, из какого вещества приготовлен антифриз и его концентрацию. Об этом надо помнить Концентрированные антифризы обычно можно разбавлять водопроводной водой, что позволяет добиться ощутимой экономии (качественные антифризы относительно дороги), снизить вязкость раствора, увеличить его теплоемкость. При этом достижение за счет разбавления исходного концентрата температуры кристаллизации – 20 ˚С позволяет сохранять его в полужидком (так называемая шуга) и, соответственно, рабочем состоянии и при –30 °C. Однако для большинства антифризов концентрация, при которой кристаллизация начинается при –20 ˚С – предельно допустима. При дальнейшем разбавлении водой физико-химические характеристики резко ухудшаются: возрастает коэффициент объемного расширения и коррозионная активность. При условиях учета отличных от воды физикохимических характеристик антифриза, использовании качественных марок и следовании рекомендациям производителей котлов замена им воды особых проблем не вызывает. Однако при необходимости вновь использовать ее в отопительной системе часто возникают сложности с полным удалением антифриза: на внутренней поверхности трубопроводов, теплообменников и отопительных приборов он образует труднорастворимую пленку, что приводит к появлению зон локального перегрева или риска попадания токсичных веществ в систему ГВС (при сезонном подключении такого контура). Поэтому требуется длительная и тщательная промывка системы. При сервисной промывке теплообменников слитый антифриз часто используют повторно. Но важно помнить, что срок его эксплуатации ограничен сроком действия антикоррозионных и антинакипных присадок – обычно не более четырех–пяти лет, хотя в последнее время появились антифризы, где производитель допускает эксплуатацию до 10-ти лет без потери свойств. Гликолевые смеси обладают свойством повышенной проницаемости или текучести и т.п. Вероятность протечек тем больше, чем больше в отопительной системе соединений. Причем течи часто обнаруживаются при ее остывании, когда возникают проницаемые для антифриза микроканалы. Поэтому все соединения должны быть доступны для ревизии, не быть скрыты под облицовкой или замоноличены. Пристальное внимание отличным от воды характеристикам антифризов надо уделять при проектировании отопительных систем с проточными котлами, имеющими форсированные тепловые режимы в теплообменниках с высокой степенью оребрения. Для них характерны кратковременные перегревы стенок при максимальных нагрузках при включении и выключении котла. В случае эксплуатации чугунных котлов, чувствительных к перегреву металла и воздействию термической деформации на секционную конструкцию, пуск следует производить на минимальной мощности, увеличивая ее постепенно до требуемой. Антифризы на основе этиленгликоля нельзя использовать для нагревания воды в системах ГВС, его пары также не должны проникать в жилые помещения. В настоящее время в Украине распространение получают пропиленгликолевые антифризы, которые можно применять и при нагреве воды в бойлере ГВС. Некоторые ведущие производители отопительных котлов уже разрешили использование антифризов нового поколения, в частности, пропиленгликолевых, в своих котлах. Но в воде, используемой для разбавления, например, Antifrogen L, должно содержаться не более 100 мг/кг хлоридов. Это особенно необходимо учитывать, если в системы отопления входят компоненты из алюминия или его сплавов. Для приготовления раствора нужной концентрации допустимо применять воду различной жесткости: от деионизированной до водопроводной, но ингибирующие свойства ослабевают по мере увеличения ее доли: концентрация Antifrogen L должна быть не менее 25 % (температура замерзания –10 °С). Системы, из которых был удален теплоноситель, должны быть вновь наполнены в течение нескольких дней, и до этого нужно проверить состояние коррозии в них, приняв при необходимости меры для очистки внутренних металлических поверхностей. Элементы, имеющие следы коррозии, не могут впоследствии эксплуатироваться даже при применении антифриза, потому что металл будет защищаться неравномерно, а ингибитор – быстро расходоваться. При выборе циркуляционного насоса необходимо убедиться, что он подходит для работы с антифризами, например, не имеет компонентов, выполненных из фенольных смол. 



«Потянет» ли старый насос «незамерзайку» 
   При переходе отопительной системы на антифриз потребуется, как минимум, изучить техническую документацию котла, но все же лучше, если такие работы будут осуществлять специалисты. Нельзя допускать, чтобы антифриз контактировал с содержащими цинк элементами – при химической реакции с этим металлом образуются большие объемы нерастворимого осадка. Гликоли также растворяют масляную краску. Удельная теплоемкость антифриза примерно на 20 % меньше, чем у воды. Залитый в сети теплоснабжения антифриз потребует качественного выполнения всех соединений, увеличения производительности насоса, коррекции объема расширительного бака и мощности тепловых приборов: расчетная теплоотдача должна обеспечиваться либо установкой более производительных, либо ускорением циркуляции теплоносителя. 
  Для определения массового расхода теплоносителя необходимо подсчитать необходимое количества тепла. Затем он определяется по формуле:

M = 3,6 · ΣQi /c · Δt) (кг/ч), где ΣQi – требуемый тепловой поток (мощность), Вт;

с – удельная теплоемкость теплоносителя, кДж/кг•˚С, Δt= = t 1т – t 2т – разность температур теплоносителя на входе и выходе из системы, ˚С. 
   Объемный расход (м3 /ч) можно определить, разделив полученное значение на удельный вес теплоносителя. При смене вида теплоносителя важно знать, насколько возрастет его объемный расход. Причем он будет зависеть также от степени разведения гликоля. Например, при понижении температуры замерзания смеси от –20 до –67 ˚С объемные расходы возрастают на 6 и 12 %. Потери на трение в трубопроводах также изменятся. Расчеты показывают, что потери давления возрастают на 55–75 % с ростом концентрации этиленгликоля от 40 до 65 %. Это требует увеличения мощности насоса. 
   Возможно два пути решения этой проблемы: дополнительная нагрузка насоса или установка более мощного, обычно на ступень выше. Переход на антифриз может приводить к завоздушиванию отопительных систем – ведь он имеет более высокий по сравнению с водой коэффициент объемного расширения и емкости расширительного бака, рассчитанного на ее использование. При нагреве теплоносителя до рабочих температур (в среднем 85 ˚С) его излишек будет сброшен через предохранительный клапан, а при снижении тепловой нагрузки потребуется подпитка системы, которая обычно осуществляется обычной водой. Растворенные в ней газы выделяются при нагреве и приводят к образованию пробок. Минимально необходимый объем расширительного бака в закрытой системе отопления можно рассчитать по формуле: Vb = (V1b + ΔVr) × (P2 + 1)/( P2 + P1 ) (м3), где V1b – начальный объем теплоносителя в баке при холодной системе отопления, м3 ; ΔVr – значение расширения теплоносителя при нагреве до рабочей температуры, м3 ; P2 – давление в расширительном баке при рабочей температуре, бар; P1 – давление в расширительном баке до заполнения системы теплоносителем, бар. Значение ΔVr рассчитывается как произведение общего объема теплоносителя в системе, среднего в рабочем температурном диапазоне коэффициента объемного расширения (k) и этого диапазона. Его значение обычно принимается равным 60 ˚С. При переходе с воды на антифриз важно соотношение V2b/V1b, где V2b и V1b, соответственно, объемы расширительного бака для низкотемпературного теплоносителя и воды. Замена ее на гликолевые растворы с концентрацией 40–45 % в автономных бытовых отопительных системах потребует увеличения номинальных объемов расширительных баков не более, чем на 15 %. Поэтому в большинстве случаев замены расширительного бака не потребуется, но все же лучше сделать приблизительный расчет.


830 23.02.2019
0