ОХЛАЖДАЮЩАЯ ЖИДКОСТЬ ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
LIQUID COOLANT FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Изобретение относится к низкозамерзающим охлаждающим жидкостям (антифризам) и может быть использовано для охлаждения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) транспортных и стационарных энергетических систем, а также в качестве теплоносителя в теплообменных аппаратах. Предлагаемое вещество было получено специалистами Санкт-Петербургского Государственного университета водных коммуникаций при разработке системы охлаждения судовых ДВС, имеющих жидкостное охлаждение.
Большая часть охлаждающих жидкостей для ДВС и теплообменных аппаратов производится на основе водного раствора этиленгликоля (см., например, пат. RU 2219216 МПК C09K 5/00, пат. US 4759864 МПК C09K 5/00 и др.). По сравнению с антифризами других классов они являются наиболее дешевыми композициями и обладают большими теплоемкостью и теплопроводностью. Кроме того, имеют низкую температуру замерзания, что позволяет безопасно эксплуатировать охлаждаемое оборудование практически при любых отрицательных температурах окружающего воздуха. Недостатком указанных жидкостей является высокая коррозионная активность к конструкционным материалам, для предотвращения которой в смеси вводят специальные присадки: ингибиторы коррозии, буферные добавки и др.
2
4
2
6
10
5
х
На территории Российской Федерации в качестве охлаждающей жидкости наиболее широко используется «Тосол» (марки «Тосол-АМ», «Тосол-А40М», «Тосол-А65М» ТУ 2422-001-526000940-00, ГОСТ 28084-89). Антикоррозионной присадкой промышленно выпускаемых тосолов является двузамещенный фосфорнокислый натрий первого сорта (динатрийфосфат NaHPO·12HO) и декстрин сорта экстра (общая формула (CHO)). Динатрийфосфат защищает от коррозии чугунные, стальные и медные детали, а декстрин - припой, алюминий и медь. Недостатком приведенных композиций является склонность к вспениванию, усиливаемая присадками. Для предотвращения вспенивания в тосол добавляют пеногасители (например, силоксанового ряда), что усложняет состав вещества и, соответственно, технологию его получения и, таким образом, повышает стоимость продукта.
Из известных решений наиболее близким аналогом к предлагаемому веществу является охлаждающая жидкость для систем охлаждения двигателей внутреннего сгорания на основе водного раствора этиленгликоля по пат. RU 2206591, МПК C09K 5/00, опубл. 20.06.2003. Композиция содержит, мас.%: этиленгликоль - 65-69; натрий фосфорнокислый двузамещенный - 0,31-0,35; декстрин картофельный - 1,2-1,3; морфолин паранитробензойнокислый - 0,7-0,8; глицерин - 8-10; натрий олеиновокислый - 0,11-0,13; вода дистиллированная или паровой конденсат - остальное.
Как показали результаты лабораторных испытаний, указанная жидкость не уступает большинству аналогов по физико-химическим свойствам, при этом обеспечивает высокую противокоррозионную защиту конструкционных материалов. Вместе с тем имеет сложный состав, высокие концентрации присадок (11…12%) и низкий коэффициент защиты от кавитационной эрозии. Кроме того, известная жидкость недостаточно эффективно управляет процессами теплообмена внутри двигателя, что ограничивает ее использование в качестве теплоносителя.
Техническим результатом от использования предлагаемого изобретения является увеличение эффективности защиты конструкционных материалов от кавитационной эрозии при уменьшении концентрации присадок и увеличении влияния на процессы теплообмена внутри ДВС.
Заявленный технический результат достигается тем, что охлаждающая жидкость для двигателей внутреннего сгорания на основе водного раствора этиленгликоля, (содержащая, так же как прототип, натрий фосфорнокислый двузамещенный и декстрин картофельный), в отличие от прототипа, дополнительно содержит полиакриламид, поливиниловый спирт и поверхностно-активное вещество, например, синтанол ДС-10, при следующем соотношении, мас.%:
Этиленгликоль
40-69
Натрий фосфорно-кислый двузамещенный
0,31-0,35
Декстрин картофельный
1,2-1,3
Полиакриламид (ПАА)
0,05-0,1
Поливиниловый спирт (ПВС)
0,05-0,1
Поверхностно-активное вещество (Синтанол ДС-10)
0,05-0,1
Вода дистиллированная или паровой конденсат
Остальное
Таким образом, отличие предложенной композиции от прототипа заключается в введении в ее состав водорастворимых полимеров и поверхностно-активного вещества и выбор соответствующего соотношения всех компонентов.
Сопоставление предлагаемого вещества и прототипа показало, что поставленная задача - увеличение эффективности защиты от кавитационных разрушений конструкционных материалов ДВС при уменьшении концентрации присадок и увеличение влияния на процессы теплообмена внутри ДВС - решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».
В свою очередь проведенный информационный поиск в области химической технологии не выявил отдельных отличительных признаков заявляемого изобретения (содержания в водно-гликолевых растворах поверхностно-активных веществ и растворимых полимеров в рекомендуемых пропорциях), что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию «изобретательский уровень».
Суть изобретения заключается в получении низкотемпературного жидкого охлаждающего вещества, обладающего высокой эффективностью защиты от коррозии и эрозии конструкционных материалов. Кроме того, предлагаемое решение позволяет улучшить теплообменные свойства вещества. Для этого в раствор, содержащий натрий фосфорнокислый двузамещенный и декстрин картофельный, вместо морфолина паранитробензойнокислого (0,7-0,8), глицерина (8-10) и натрия олеиновокислого (0,11-0,13) вводят полиакриламид (0,05-0,1), поливиниловый спирт (0,05-0,1) и синтанол (0,05-0,1).
Присутствие полимеров в охлаждающей жидкости приводит к изменению реологических свойств охлаждающей жидкости, препятствует переносу количества движения поперек потока, то есть ламиниризирует его и тем самым снижает гидравлическое сопротивление системы охлаждения, уменьшает скорость роста и захлопывания кавитационных пузырьков и интенсивность накипеобразования.
В свою очередь, поверхностно-активное вещество способствует: снижению поверхностного натяжения на границе раздела фаз газ-жидкость, гидрофобизации поверхностей в результате ориентированной адсорбции молекул и создания барьера между металлом и средой, возникновению расклинивающего давления и отрыву частиц загрязнений от поверхностей, предотвращению образования накипи, созданию защитных пленок на поверхностях и снижению интенсивности эрозионных и коррозионных процессов, увеличению толщины ламинарного подслоя на теплообменной поверхности, благодаря чему снижается коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости. При этом уменьшение тепловых потерь способствует увеличению индикаторной работы и снижению расхода топлива, а также обеспечивает более быстрый прогрев двигателя после его запуска.
При совместном же введении всех компонентов благодаря их синергетическому действию достигается поставленная цель - увеличивается эффективность защиты от кавитационных разрушений конструкционных материалов ДВС и влияние на процессы теплообмена внутри ДВС. Увеличение коэффициента защиты сталей и чугунов составляет при этом 30-40%, для цветных металлов: 5-25%. Таким образом, предлагаемый состав охлаждающей жидкости не только позволяет изготовить продукт, превосходящий по своим антикоррозионным и потребительским свойствам прототип, но также обеспечивает высокую антиэрозионную защиту и возможность направленно влиять на процессы теплообмена в ДВС, и тем самым повышать топливную экономичность двигателя внутреннего сгорания.
Характеристика компонентов.
2
2
Этиленгликоль высший или первый сорт по ГОСТ 19710-83 - бесцветная прозрачная жидкость. Формула HOCHCHOH. Используется в качестве полупродукта в производстве антифризов.
4
2
Натрий фосфорнокислый двузамещенный по ТУ 113-25-110-90 - стекловидные и белые кристаллы. Формула NaHPO·12HO. Используется в качестве эмульгатора, отбеливателя.
Декстрин картофельный по ГОСТ 6034-74 - используется в качестве ингибитора коррозии.
2
2
n
Полиакриламид (ПАА) по ТУ 6-01-1049-92. Формула [-CHCH(CONH)-], твердое аморфное белое или частично прозрачное вещество без запаха. Используется в качестве эффективных флокулянтов, шлихтующих добавок, флотореагентов, диспергаторов, загустителей, агентов уменьшения гидродинамического сопротивления.
2
n
Поливиниловый спирт (ПВС) по ГОСТ 10779-78. Формула [-CHCH(ОН)-]. Твердое бесцветное вещество. Применяют для производства волокон, как защитные удаляемые покрытия на деталях, связующее в литейных формах, эмульгатор, загуститель водных растворов при изготовлении клеев. Тщательно очищенный от примесей низкомолекулярный поливиниловый спирт используют в фармакологии и медицине.
Поверхностно-активное вещество (Синтанол ДС-10) - смесь фракций спиртов С10-С20 и оксида этилена по ТУ 6-14-577-88. Представляет собой пасту белого или бело-желтого цвета. Применяется при изготовлении моющих средств.
Указанную смесь готовят следующим образом.
В водно-этиленгликолевом растворе при перемешивании последовательно растворяют натрий фосфорнокислый двузамещенный, декстрин картофельный, полиакриламид, поливиниловый спирт и синтанол. Для ускорения процесса растворения температуру жидкости поднимают до 50-55°C.
Для обоснования количественного состава компонентов были приготовлены образцы заявляемой композиции, представленные в табл.1.
Образцы и прототип по пат. RU 2206591 (охлаждающая жидкость марки «Тосол-АМ») испытывали в лабораторных условиях. Исследования антикоррозионных и антиэрозионных свойств охлаждающих жидкостей проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 28084-84. Результаты исследований приведены в табл.2. Влияние жидкости на процессы теплообмена в системах охлаждения и топливную экономичность исследовалось при проведении лабораторных и стендовых испытаний. Результаты испытаний приведены в табл.3.
Как видно из результатов испытаний, предлагаемая жидкость имеет следующие преимущества по сравнению с прототипом:
более эффективную защиту металлов, из которых выполнено оборудование, от коррозионного и эрозионного воздействий (табл.2),
более высокие теплообменные свойства. Так, использование жидкости обеспечивает снижение тепловых потерь через систему охлаждения, что подтверждается более быстрым прогревом двигателя (табл.3),
более низкую концентрацию присадок, а, значит, более высокую водную составляющую (табл.1). Это соответственно уменьшает стоимость получаемого продукта.
Проведенные лабораторные, стендовые и эксплуатационные испытания показали высокие эксплуатационные качества жидкости, что позволяет сделать вывод о возможности промышленного применения изобретения, в том числе, в системах охлаждения стационарных и транспортных двигателей внутреннего сгорания, а также в теплообменных аппаратах, работающих в условиях как положительных, так и отрицательных температур.
Таблица 1
№
Наименование компонента
Номер образца
Прототип
1
2
3
4
5
1
Этиленгликоль
40
44,7
49,5
60
69
67
2
Натрий фосфорнокислый двузамещенный
0,31
0,32
0,33
0,34
0,35
0,32
3
Декстрин картофельный
1,2
1,22
1,25
1,27
1,3
1,25
4
Полиакриламид (ПАА)
0,05
0,067
0,075
0,087
0,1
-
5
Поливиниловый спирт (ЛВС)
0,05
0,067
0,075
0,087
0,1
-
6
Поверхностно-активное вещество (Синтанол ДС-10)
0,05
0,067
0,075
0,087
0,1
-
7
Вода дистиллированная или паровой конденсат
58,35
53,6
48,7
39,13
29,15
21,61
Таблица 2
Материал
ГОСТ
Тосол-А40М (прототип)
Заявляемая жидкость (образец 3)
ΔG<sub>к</sub>, г/(м<sup>2</sup>·сут)
ΔG<sub>к</sub>, г/(м<sup>2</sup>·сут)
ΔG<sub>p</sub>, г/(м<sup>2</sup>·сут)
Сталь Ст20
Не более 0,1000
0.0572
0.0418
Чугун СЧ24
Не более 0,1000
0.0511
0.0372
Сплав Ал-9
Не более 0,1000
0.0440
0.0415
Латунь Л63
Не более 0,1000
0.0600
0.0512
Медь М-1
Не более 0,1000
0.0579
0.0452
Припой ПОС-40
Не более 0,2000
0.0901
0.0744
Таблица 3
Тосол А40М (прототип)
Заявляемая жидкость (образец 3)
коэффициент теплоотдачи
Время прогрева, мин
коэффициент теплоотдачи
Время прогрева, мин
100%
8,5
100%
7,5