Климатические условия нашей страны предъявляют повышенные требования к устройству отопительных систем жилых и подсобных помещений, включая и возможность переносить отрицательные температуры. Если в жилищах с постоянным пребыванием людей в течение всего отопительного сезона поддерживается комфортный для жизни уровень тепла, то во вспомогательных постройках в отсутствие человека обогревательное оборудование отключают в целях экономии, а также чтобы избежать возникновения пожара. Для индивидуального строительства такой отопительный режим возможен в отдельно стоящих банях, мастерских, гаражах. К этой же категории относятся строения, где люди в холодное время года появляются периодически: загородные дома, дачи. Во всех таких случаях жидкостный контур отопления надо заполнять теплоносителем, не подверженным замерзанию при 0 °С. Чаще всего для этого применяют водно-гликолевые растворы. Их свойства прямо зависят от концентрации действующего вещества.
Хотя многие распространенные в промышленности химические вещества проявляют свойство переходить в твердое состояние при гораздо меньших температурах, чем вода, лишь несколько из них нашли применение в качестве теплоносителей для бытовых нужд. Многие из тех, что кажутся перспективными и даже востребованы как теплоагент в промышленных условиях, для использования в быту непригодны из-за серьезных недостатков.
Простые спирты. Имеют летучие пары, что исключает возможность работы в негерметичных системах, а также горючи при концентрации в водном растворе свыше 25 %.
Минеральные и синтетические масла. Они пожароопасны при попадании на открытое пламя. Имеют большую вязкость.
Глицерин. Не рекомендован из-за высокой вязкости, а также из-за способности при контакте с раскаленными металлическими деталями котла разлагаться с выделением акролеина – высокотоксичного вещества 2-го класса опасности. В Первую мировую войну акролеин использовали как отравляющий слезоточивый газ.
Фактическим стандартом на сегодня считаются две разновидности антифризов:
- Солевые растворы неорганических веществ, понижающих температуру замерзания воды.
- Водно-гликолевые смеси по ГОСТ 33341-2015 на основе многоатомных органических спиртов моно-, ди- и три-этиленгликоля, пропиленгликоля.
Незамерзающие жидкости на основе водных растворов гликолей при понижении температуры ведут себя принципиально иначе, чем обычная вода. Если чистая вода превращается в лед в очень узком интервале температур (при 0 °С она еще жидкая, а при –1 °C уже в твердом состоянии), то антифризы характеризуются двумя показателями температур. Сперва в жидкости появляются лишь отдельные мелкие кристаллы. При дальнейшем понижении температуры количество этих кристалликов увеличивается, материал переходит в состояние шуги, сохраняя подвижность. Наконец, при еще более низкой температуре мелкие кристаллы смерзаются в общий массив, завершая затвердение раствора.
Обозначение температур. Первая точка на шкале носит название температуры начала кристаллизации, вторая – температуры застывания или потери текучести. В английской терминологии эти показатели называют соответственно freezing point и setting point (pour point). Важно знать, что в технической характеристике антифриза на западе принято указывать показатель frost protection («уровень защиты от замораживания»), который является средним между двумя крайними точками. Поэтому в инструкциях по эксплуатации и на этикетках импортных антифризов будет указана другая цифра температуры для полностью аналогичного отечественного состава.
Диапазон между началом и окончанием кристаллизации. Разница этих двух температур может достигать нескольких градусов и зависит от пропорции гликоля и воды в растворе. Например, состав с 45 % этиленгликоля начинает кристаллизоваться при –30 °C, а полное замерзание происходит при –38 °C. В промежутке между указанными температурами антифриз частично сохраняет рабочие свойства, несмотря на появление в нем мелкой твердой «крупы».
Объемное расширение при замерзании. Главным недостатком воды как теплоносителя считают даже не ее высокую температуру замерзания, а свойство при переходе в твердую фазу существенно увеличиваться в объеме (до 9 %). Это недопустимо для техники, поскольку неизбежно приводит к разрыву трубопроводов и других элементов инженерных систем. Водно-гликолевые растворы, переходя в твердое состояние, изменяют объем крайне незначительно. Так, 40%-ный раствор этиленгликоля при замерзании увеличивает объем лишь на 1,5 %, что соответствует линейному расширению 0,5 %. Это практически не наносит вреда отопительной системе.
| Концентрация, % | Температура начала кристаллизации, °C | Плотность антифриза, г/см3 |
| 65,3 | -65 | 1,086 |
| 63,1 | -60 | 1,083 |
| 58,0 | -50 | 1,078 |
| 52,6 | -40 | 1,071 |
| 45,6 | -30 | 1,063 |
| 36,4 | -20 | 1,051 |
| 26,4 | -10 | 1,034 |
Растворы пропиленгликоля в воде проявляют очень близкие к указанным свойства.
Кроме температурной зависимости начала замерзания, концентрация активного вещества в антифризах влияет еще на ряд важных эксплуатационных показателей.
Теплоемкость раствора. Является важным параметром, от которого зависит количество тепловой энергии, которую теплоагент способен передавать от источника в помещение. Для чистой воды эта величина составляет 4,2 кДж/кг К и практически не меняется при разных температурах. При росте концентрации гликоля в воде теплоемкость раствора снижается. Например, 50%-ный состав обладает меньшей способностью к переносу тепла, чем 20%-ный, однако его рабочий интервал температур шире.
Коэффициент объемного расширения. Вырастает при повышении концентрации гликоля.
Теплопроводность. Так же как и график замерзания, имеет вид кривой с максимумом в районе порядка 40 % гликоля. Такой раствор лучше всего проводит тепловую энергию, а при уменьшении или увеличении концентрации показатель снижается.
