NEMRZNÚCE KVAPALINY

Tepelná energia paliva sa mení vo valci spaľovacieho motora na mechanickú prácu len čiastočne a to v rozsahu od 25 % až do 40 % v závislosti od toho o aký typ motora ide , resp. aké palivo sa používa (benzín, nafta, plyn). Takmer 30 % tepla, ktoré je nežiaduce, resp.  ktoré sa nevyužíva  sa odvádza chladením. Zvyšok tepelnej energie to sú  straty a to

 30 % vo výfukovom potrubí a 10 % straty trením. Prenos nežiaduceho tepla z valca motora sa  odvádza chladením a to buď chladením vzduchom alebo častejšie kvapalinou. Oba spôsoby majú svoje výhody aj nevýhody. Pozornosť budeme venovať kvapalinám, ktoré sa používajú v chladiacich systémoch motorových vozidiel. Vzhľadom na prevádzkové požiadavky ide o chladiace kvapaliny, ktoré sú špeciálne upravené tak, aby vyhovovali celoročným klimatickým podmienkam, známe častejšie pod názvom nemrznúce kvapaliny. Všeobecne sa hovorí, že ide o kvapaliny pre chladiacu a vykurovaciu sústavu v motorovom vozidle, automobile.

Chladiaca a vykurovacia sústava má pre motor a priestor pre cestujúcich v automobile zabezpečiť vždy optimálnu teplotu.

Druhy chladenia môžu byť:

-  Vzduchové – náporové, prúdením, alebo s núteným prúdením vzduchu

-  Kvapalinové – samo obehové (termosifónové) alebo s núteným obehom chladiacej kvapaliny

Motory v osobných automobiloch sú najčastejšie vybavené kvapalinovým chladením s výmenníkom tepla na vykurovanie. Na nasledujúcom obrázku č.1 je schéma, hlavné časti chladiacej sústavy.

Chladiaci systém pozostáva z chladiča, vodného čerpadla, hadíc, ventilátora, ohrievača, termostatu a chladiacej kvapaliny. V chladiacej sústave termostat má zabezpečiť čo najrýchlejšie zohriatie studeného motora a udržiavať chladiacu kvapalinu na prevádzkovej teplote tým, že zatvára a otvára prietok chladiacej kvapaliny do chladiča. Pri studenom motore, pokiaľ sa nedosiahne jeho prevádzková teplota, termostat uzavrie prietok chladiacej kvapaliny do chladiča a čerpadlo chladiacej kvapaliny zabezpečuje jej cirkuláciu medzi čerpadlom chladiacej kvapaliny a motorom (malý chladiaci okruh). Ak je zapnuté kúrenie, určitá časť chladiacej kvapaliny prúdi do čerpadla cez výmenník tepla vykurovania. Malý chladiaci okruh a minimálne množstvo chladiacej kvapaliny zabezpečí rýchle zohriatie motora na prevádzkovú teplotu. Pri dosiahnutí prevádzkovej teploty motora, termostat otvorí vstup do chladiča a chladiaca kvapalina prúdi späť do čerpadla chladiacej kvapaliny cez chladič (pri otvorenom kúrení aj cez výmenník tepla kúrenia) veľkým (predĺženým) chladiacim okruhom. Ventilátor je poháňaný Visco - spojkou (alebo termostatom ovládaný elektrický ventilátor) a dodáva chladiaci vzduch aj počas státia. Na obrázku č.2 je vidieť jednotlivé prvky chladiaceho systému. 

Chladiace, nemrznúce kvapaliny (Antifreeze), resp. všetky druhy chladiacich a teplonosných kvapalín sú to najmä glykoly s nízkou teplotou tuhnutia, ktoré odolávajú zamrznutiu pri  nízkych teplotách v prípade ich použitia v konkrétnom chladiacom, resp. ohrievacom systéme. Nemrznúce kvapaliny na báze glykolu (etylénglykol alebo propylénglykol) obsahujú inhibítory korózie a ďalšie prísady. S vodou sa miešajú v každom pomere. 

Uvedieme všeobecné požiadavky na nemrznúce kvapaliny, ktoré majú zabrániť :

-  Tvorbe usadenín (čistý chladiaci systém)

-  Korózii z dôvodu vysokej teploty (horúca voda reaguje priamo s hliníkom). Pri reakcii sa vytvára vodík, ktorý narušuje štruktúru kovu.

-  Povrchovej korózii (agresívne látky, voda)

-  Kontaktnej korózii (tvorba jamiek na povrchu kovu)

-  Štrbinovej korózii (v trhlinkách sa usadzujú korozívne látky)

-  Kavitácii (vo vodnom čerpadle , hlave valca, vznikajú parné bublinky zmenou tlaku a teploty)

-  Tvorba vápnika a iných minerálov (tvrdá voda)

-  Tvorba peny a iné.

Nemrznúce kvapaliny sú v chladiacej sústave  po celý rok a chránia kovové povrchy proti korózii. V prípade ak by sa nemrznúca kvapalina nahradila len čistou vodou, napr. počas letnej prevádzky, tak  kovové povrchy sa omyjú a koncentrácia inhibítorov sa podstatne zníži a vzniká korozívny úbytok materiálu. Nebezpečné  je to najmä v prípade vložky chladiča, ktorá je vyrobená z farebného kovu, najčastejšie  mosadzného plechu (hrúbka 0,10 až 0,12 mm).

Podľa dostupných informácií sa vo svete vyrába a spotrebuje ročne 63 600 000 ton koncentrátu nemrznúcich kvapalín. Pri miešaní s vodou v pomere 50/50 je to 127 200 000 ton chladiacich kvapalín. Pretože etylén glykol je petrochemický výrobok cena tohto produktu je závislá na cene zemného plynu a ropy.

V sortimente na prípravu nemrznúcich kvapalín sa používajú najmä tieto dva druhy  a to jeden na báze etylén glykolu a druhý propylén glykolu.  Často je otázka aký je medzi nimi rozdiel čo sa týka ich vlastnosti. Etylén glykol a propylén glykol sú chemicky podobné. Etylén glykol má chemickú formuláciu C₂H₆O_2. Propylén glykol C₃H₈O₂. Etylén glykol má o niečo vyšší bod varu ako propylén glykol. Etylén glykol je lacnejší a jeho použitie možno je aj preto  častejšie. Propylén glykol je menej toxický. Oba druhy sú podobné čo sa týka biologickej odbúrateľnosti. Súčasná požiadavka je na vykonávanie zberu týchto výrobkov a na ich regeneráciu. Pre kvapaliny typu glykol/voda v prípade ich použitia ako nemrznúcich a teplonosných kvapalín sa uvádza teplotný rozsah od – 40 °C do + 320 °C, čo je výhoda.

Často vystupuje do popredia otázka ich vzájomnej miešateľnosti, resp. vzájomného dopĺňania počas prevádzky. Jednoznačne nie je možné na to odpovedať. Podľa niektorých informácií etylén glykol a propylén glykol sú chemický veľmi podobné a preto sa môžu vzájomne miešať bez poškodenia chladiaceho systému. Etylén glykol má lepšie vlastnosti čo sa týka prenosu tepla ako propylén glykol. Pridaním propylén glykolu do etylén glykolu sa nezlepší, nezníži jeho toxicita. Treba povedať, že formulácie nemrznúcich kvapalín to sú hlavne kompromisy medzi inhibítormi kovov (železo, hliník, spájka, mosadz a meď). Aj zmes dvoch dobrých kompromisov môže vytvoriť zlý produkt.  Miešací pomer pre naše klimatické pásmo sa odporúča 50/50, teda 50 % destilovanej vody a 50 % koncentrátu, čím sa dosiahne teplota tuhnutia – 34 °C. Pre chladnejšie oblasti sa odporúča miešací pomer 40/60. Neodporúča sa iný miešací pomer a to vzhľadom na to, že pri väčšom obsahu vody sa strácajú funkčné vlastnosti chladiacej kvapaliny, ochrana proti korózii a naopak pri vyššom obsahu koncentrátu je zvýšená agresivita prísad. Čistý koncentrát sa nemá používať v chladiacom okruhu. Podľa skúsenosti a dostupných informácii zloženie chladiacej kvapaliny pri zložení ak je viac ako 70 % vody, tak je nebezpečie zamŕzania a možný výskyt korózie. V prípade ak je menej ako 30 % vody, tak teplo nie je správne odvádzané, čo vedie k prehriatiu motora. Dôležitá je kvalita vody. Odporúča sa destilovaná voda.   

Čo sa týka všeobecných prevádzkových pokynov napr. pri plnení do systému sa vzhľadom na objemovú rozťažnosť roztoku chladič neplní až po hrdlo alebo ústie prepadovej trubky. Plní sa za studená asi 5 cm pod ústie prepadovej trubky. Pri ochladení náplne treba si všimnúť výšky hladiny a dopĺňať len vtedy ak hladina poklesla pri studenom motore pod tento stav. Straty odparením sa nahradzujú doplňovaním destilovanou vodou. Pred zimným obdobím treba znížiť, upraviť bod tuhnutia  tak, že pre požadovanú koncentráciou roztoku sa  doplní  do systému požadované množstvo nariedeného roztoku. Životnosť nemrznúcich kvapalín je stanovená ich výrobcami, resp. výrobcami motorových vozidiel. Všeobecne platí, že po dvoch rokoch by sa mala nemrznúca kvapalina vymeniť.   

Pre hodnotenie nemrznúcich kvapalín nie sú stanovené medzinárodné špecifikácie, klasifikácie tak, ako napr. pre hodnotenie motorových olejov. Známe sú národné štandardy, normy, resp. špecifikácie jednotlivých výrobcov strojov  a zariadení. V prehľade v tabuľke č.1 uvedieme známe platné špecifikácie a klasifikácie a to hlavne od výrobcov automobilov.

Tabuľka č.1

Na dobré chladivo, nemrznúcu kvapalinu sú kladené ešte tieto požiadavky:

-  Dobrá tepelná vodivosť

-  Vysoké špecifické teplo

-  Stálosť kvapalinu v širokom rozsahu od – 40 °C do + 120 °C

-  Ochrana proti korózii pre rôzne kovy a zliatiny

-  Kompatibilita s tesnením

-  Neutralizácia kyslosti

-  Nevytváranie kalu

-  Chemická stabilita

V súčasnom hodnotení kvality nemrznúcich kvapalín sa uvádzajú tri skupiny podľa ich chemického zloženia a sú zaradené nasledovne:

-  N -  Základná skupina

-  NF - Skupina bez obsahu dusičnanov (dodatočne aj možno bez obsahu amínov a fosfátov)

-  SNF - Skupina bez obsahu kremičitanov (dodatočne aj možno bez obsahu amínov, fosfátov a dusičnanov)

Ako príklad uvedieme hodnotenie, zaradenie niektorých konkrétnych výrobkov podľa uvedeného rozdelenia:

-  N – MAN 324 N, VW TL 774-A

-  NF – MAN 324 NF, VW TL 774-C (G11)

-  SNF – MAN 324 SNF, VW TL 774-D (G12)

-  ELC – Extended Live Coolant – kvapaliny s predĺženou životnosťou

Moderné naftové motory sú konštruované tak, aby poskytovali vyšší výkon, lepšiu spoľahlivosť a ekonomiku paliva a pritom mali nižšie emisie. Vzhľadom na to, aby boli splnené tieto  požiadavky, nové motory sú vybavené novými prídavnými zariadeniami, napr. na zvýšenie výkonu, turbodúchadla, systém EGR, na recirkuláciu výfukových plynov,  elektronické časovanie dodávky paliva a ďalšie zariadenia, ktoré majú zvýšené požiadavky na chladiaci systém. Súvisí to so zmenou technológie chladenia, ide o zvýšený prietok chladiva, vyššie tlaky v systéme, kontrolu bodu varu, vyšší chladiaci výkon ventilátora a  aj požiadavka na väčší chladič, ale nie vždy. Výber vhodných materiálov, napr. prechod z farebných kovov mosadz, meď na ľahšie hliníkové chladiče a výmenníky tepla a to všetko vyvoláva  zvýšené požiadavky na chladiace kvapaliny, požiadavky na ich nové formulácie, teda výber vhodného balíku prísad, inhibítorov. Dnešné preplňované naftové motory pracujú pri zvýšených prevádzkových teplotách a to všetko si vyžaduje aj nové riešenia chladiaceho systému a v našom prípade chladiacich kvapalín. Etylénglykol, ako chladiaca kvapalina  je na uhľovodíkovom základe (C₂H₆O₂), a teda tak, ako aj motorové oleje podlieha rovnako starnutiu, oxidácii a to najmä pri vyšších teplotách. Z toho všetkého vyplynula požiadavka na chladiacu kvapalinu, ktorá by spĺňala tieto zvýšené prevádzkové požiadavky a zároveň  by to bola kvapalina s predĺženou životnosťou. V súčasnosti v sortimente chladiacich, nemrznúcich kvapalín  sa ponúka kvapalina pod označením ELC (Extended Life Coolant), teda kvapalina s predĺženou životnosťou. Tieto kvapaliny boli vyvinuté najmä na báze etylén glykolu pre preplňované naftové motory a tiež benzínové a plynové motory. Ide o novú formuláciu vhodných prísad, inhibítorov, ktoré zabezpečujú ochranu motora a chladiaceho systému pred koróziou. Tieto výrobky sú uvádzane ako výrobky, ktoré neobsahujú voľne dusičnany (nitrity), amíny, fosfáty, boráty a silikáty. Ide o koncentrát, ktorý sa  mieša s destilovanou vodou v pomere 50/50, čím sa dosiahne  bod tuhnutia – 37 °C. Životnosť chladiacich kvapalín, typu ELC podľa dostupných informácií sa uvádza až 900 000 km, resp. 7 rokov pri normálnych prevádzkových podmienkach. 

Náplň nemrznúcej kvapaliny pokiaľ je chladiaci systém tesný a nie je kontaminovaná cudzou látkou napr. motorovým olejom, alebo plastickým mazivom z vodného čerpadla, resp. inými mastnými látkami nevyžaduje počas celej životnosti žiadne ošetrenie. Pokiaľ ale tieto cudzie látky,  vniknú do chladiaceho systému, kvapalina sa zakalí a to sa môže prejaviť aj ako penenie, čo je už problém.  V takom prípade kvapalinu treba vypustiť a prefiltrovať. Chladiaci systém sa nevyplachuje. V niektorých prípadoch sa odporúča prepláchnuť chladiaci systém čistou vodou, resp. použiť ak je treba zmes (voda/detergent), vodnú emulziu. V takýchto prípadoch treba sa obrátiť na odborný servis. Treba pripomenúť, že glykoly sú škodlivé a pôsobia pri postriekaní na lak vozidla. V takomto prípade treba takéto miesto opláchnuť väčším množstvom vody. Naopak nemrznúca kvapalina, glykol  môže vniknúť do motorového oleja z dôvodu poškodenia tesnení, trhlín, prefukov v hlave valca motora a to z dôvodu korozívneho poškodenia a kavitácie. V takomto prípade sa najčastejšie vytvoria lepkavé usadeniny, ktoré znemožňujú pohyb niektorých časti motora napr.  ventilov a iné. V prehľade uvedieme ďalšie možné následky z dôvodu kontaminácie oleja glykolom:

-  Len 0,04 % (400 ppm) chladivá obsahujúceho glykol v motorovom oleji postačuje na vytváranie, zhlukovanie sadzí a je teda príčinou hromadenia nečistôt, ktoré vedú k tvorbe kalov, usadenín, nepravidelného toku oleja a blokovania filtrov.

-  Podľa niektorých poznatkov kontaminácia motorového oleja glykolom je desať násobne väčšia vzhľadom na opotrebovanie v porovnaní pri jeho kontaminovaní vodou.

-  Glykol chemický reaguje s prísadami v oleji, čo je príčinou úbytku (chemické zrážanie) prísad. Ide najmä o prísady proti opotrebovaniu (AW prísady), napr. prísada ZDDP, čo vedie k tvorbe reakčných produktov, kalov, lakov a výsledkom je zanášanie filtrov. To môže viesť až k (studenému) zadretiu motora.

-  Pri reakcii glykolu s detergentnými prísadami na báze vápenatých sulfonátov vznikajú tzv. abrazívne sférické nečistoty (olejové guľôčky), ktoré sa nachádzajú takmer vo všetkých motorových olejoch. Tieto guľôčky sú príčinou abrazívneho opotrebovania, poškodenia ložísk v kľukovej skrini a v ďalších trecích povrchov v motore.

-  Glykolové nečistoty zvyšujú viskozitu motorového oleja, ktorá narušuje mazanie a chladenie motora olejom.

Hraničné hodnoty na obsah glykolu v motorovom oleji sú stanovené na základe všeobecného pozorovania a hodnotenia a sú uvádzane ako výstraha, hodnota do 200ppm (0,02%), a ako kritická hodnota 400 ppm (0,04%).

Nemrznúce kvapaliny majú stále miesto v sortimente prevádzkových kvapalín pre motorové vozidla, automobily. Ich spotreba neustále narastá. Požiadavka je na zjednotenie sortimentu podľa platných medzinárodných klasifikácii a špecifikácii. Do popredia vystupuje aj otázka zberu a regenerácie nemrznúcich kvapalín, čo by bol dobrý príspevok k ochrane životného prostredia. 

Zdroj:Ing. Jozef Stopka