Zakres ćwiczenia:
1. Podstawy budowy hydraulicznych układów chłodzenia.
2. Metody badania płynów chłodzących.
3. Rodzaje stosowanych płynów chłodzących.
4. Przeprowadzenie i analiza wyników pomiarów.
Do wykonania przez studentów:
1. Zapoznać się z rodzajami płynów chłodzących.
2. Wykonać badania na zawartość wody w płynie.
3. Określić stan płynu chłodzącego.
4. Opracować wyniki pomiarów.
5. Zaliczyć ćwiczenie.
Opracował: mgr inż. Jacek Caban
POLITECHNIKA LUBELSKA
Wydział Mechaniczny
INSTYTUT TRANSPORTU, SILNIKÓW
SPALINOWYCH I EKOLOGII
Laboratorium Eksploatacji Urządzeń Transportu
Temat ćwiczenia: Własności płynów eksploatacyjnych – płyn chłodzący
2
1. PODSTAWY TEORETYCZNE UKŁADÓW CHŁODZENIA
Układ chłodzenia pełni w naszym aucie niezwykle ważną rolę. Dbałość o układ
chłodzenia silnika samochodowego minimalizuje ryzyko wystąpienia jego awarii.
W większości samochodów producenci stosują wymuszony obieg cieczy chłodzącej. Ciecz
poruszana specjalną pompą krąży w tzw. płaszczu wodnym bloku silnika, przepływa przez
kanały „wodne” w głowicy, dociera do nagrzewnicy wnętrza i oczywiście do chłodnicy.
Zadaniem tego układu jest osiągnięcie przez silnik maksymalnie szybko optymalnych
warunków pracy, a później skutecznej ochrony przed dalszym przegrzewaniem. Latem układ
chłodniczy zabezpiecza silnik przed przegrzaniem. Zimą – gwarantuje optymalną temperaturę
pracy, ogrzewa przedział pasażerski samochodu i podgrzewa niektóre elementy wyposażenia
dodatkowego – takie jak na przykład reduktor w instalacji gazowej. Sprawność układu
chłodzenia wpływa na ekonomikę eksploatacji, od niego zależy czy w czasie jazdy mamy
odparowane, czy oszronione szyby. Na rysunku 1 przedstawiono schemat układu chłodzenia
pojazdu.
Rys. 1. Schemat układu chłodzenia współczesnego pojazdu samochodowego [1]
2. PŁYNY CHŁODNICZE W EKSPLOATACJI
Ilość energii odprowadzanej przez układ chłodzenia jest porównywalna z energią
przekształconą w moc mechaniczna silnika. Płyn chłodzący pełni funkcje:
Odprowadza energię cieplną spalonego paliwa,
Zmniejsza możliwość wystąpienia zjawiska kawitacji,
Zabezpiecza elementy silnika przed korozją,
Zabezpiecza silnik przed zamarznięciem i uszkodzeniom w temperaturach ujemnych.
Skład płynu
Ciecz chłodząca składa się z wody oraz różnych dodatków a także środków
zabezpieczających przed zamarzaniem [3]. Podstawowym dodatkiem płynów chłodzących
jest glikol etylenowy lub propylenowy. Te drugie są bardziej ekologiczne i lepiej znoszą
ekstremalnie niskie temperatury. Płyn jest substancją przeciwdziałającą zamarzaniu wody, ale
żrącą, dlatego dodaje się środki przeciwkorozyjne (inhibitory) i dodatki. Produkowane są też
3
koncentraty o zawartości glikolu 90÷95%. Do 10% stanowią inhibitory korozji,
antyutleniacze, stabilizatory, czynniki maskujące jony oraz dodatki anty-pienne. Taki skład
płynu skutecznie chroni metale układu chłodzenia przed korozją a elementom gumowym
zapewnia należytą trwałość. Zawartość koncentratu w układzie chłodzenia powinna zawierać
się w granicach 40÷60%. Najlepsze własności temperaturowe i eksploatacyjne zawiera 50%
roztwór. Jeżeli płyn jest zbyt rozcieńczony, a zawartość koncentratu wynosi 30%, istnieje
ryzyko zamarzania płynu i nadmiernej korozji układu [1]. Natomiast zbyt duże stężenie
glikolu prowadzi do przegrzewania się silnika. Należy pamiętać że związki chemiczne
zawarte w płynie tracą swoje właściwości w miarę starzenia. Wykres temperatury krzepnięcia
płynu w zależności od stężenia glikolu przedstawiono na rysunku 2.
Rys. 2. Wykres temperatury krzepnięcia płynu chłodzącego względem stężenia glikolu [1]
Rozróżnia się 3 podstawowe typy dodatków antykorozyjnych:
Dodatki nieorganiczne – IAT (Inorganic Additive Technology),
Dodatki organiczne – OAT (Organic Acid Technology),
Dodatki mieszane HOAT (Hybrid Organic Acid Technology).
Każdy z tych dodatków został opracowany w celu zaspokojenia określonych potrzeb
producentów samochodów [1].
Płyny typu IAT – zawierają krzemiany i azotyny, które tworzą barierę ochronną na
wewnętrznych elementach i ściankach układu chłodzenia. Krzemiany są bardzo pożądane
w silnikach z żeliwnym blokiem i aluminiową głowicą. Jeżeli jednak ich poziom spadnie
poniżej 20% może tworzyć niewielkie załogi. W konsekwencji mogą pojawić się wycieki,
a osady mogą doprowadzić do zapchania rurki chłodnicy w okresie letnim. Płyny IAT mają
barwę zgniłozieloną lub brudno niebieską.
Płyny typu OAT – zamiast krzemianów zawierają pakiet dodatków kwasów
organicznych. Aluminium i żelazowce tworzą warstwę produktów korozji w kontakcie nawet
z niewielką ilością wilgoci w powietrzu [1]. Płyny te usuwają powstałe osady z tlenków
metali i zabezpieczają przed korozją. Warstwa przeciwkorozyjna jest 20-krotnie cieńsza
w porównaniu do technologii IAT. Płyny te są zalecane w nowych pojazdach w przypadku
starszych mogą oddziaływać na lut ołowiu stosowany w starszych typach chłodnic.
Występują w kolorach: czerwonym, różowym, fioletowym lub pomarańczowym. Schemat
ochrony przeciwkorozyjnej płynów typu IAT oraz OAT przedstawiono na rysunku 3.
4
Płyny typu HOAT – zawierają środki antykorozyjne na bazie krzemianów i kwasów
organicznych. Mogą one łączyć się z płynami typu IAT, przy jednoczesnym wydłużeniu
okresu trwałości (max do 6 lat). Niewielka zawartość silikatów oraz niskie stężenie pH daje
lepszą ochronę elementów aluminiowych i zabezpiecza przed korozja wżerową pomp
wodnych.
Odpowiednie stworzenie bariery ochronnej dodatków uzależnione jest od właściwej
ich ilości w roztworze. Dlatego też producenci zalecają wymianę płynu raz na 2 lata. Jeżeli
w układzie znajduje się stary płyn chłodzący może doprowadzić do korozji i awarii tego
układu, co skutkuje przegrzewaniem, a nawet uszkodzeniem silnika.
Rys. 3. Schemat ochrony antykorozyjnej płynów chłodzących wykonanych w dwóch technologiach [1]
Mieszalność płynów chłodzących
W przypadku tradycyjnych płynów chłodzących na bazie glikolu etylowego są ze sobą
mieszalne. Szczególną uwagę należy zwrócić na nowoczesne formacje bez krzemianowe,
o innej technologii zawartych środków przeciw zamarzaniu [1]. Działanie specyficznych
składników na innych zasadach i domieszki innego rodzaju dodatków do tradycyjnych mogą
powodować pogorszenie własności eksploatacyjnych płynu a nawet ich zanik. Dobrą praktyką
jest niemieszanie płynów o różnych dodatkach. Różne płyny chłodzące zawierają różne
dodatki i dlatego ich współczynnik pH powinien mieścić się w danych granicach.
Napełnienie układu niewłaściwym środkiem może spowodować problemy techniczne.
Dodatki antykorozyjne zawarte w różnych typach płynów mogą również wchodzić w reakcje
chemiczne ze sobą, tworząc osady co obniża skuteczność odprowadzania ciepła z silnika oraz
mogą tworzyć roztwór agresywny korozyjnie. Pamiętajmy o tym, że barwa płynu
niekoniecznie oznacza, zastosowanie rodzaju inhibitora i nie należy się nią kierować przy
rozróżnianiu płynów.
3. BADANIA WŁASNOŚCI PŁYNÓW CHŁODZĄCYCH
Do podstawowej kontroli układu chłodzenia należy:
Kontrola stężenia cieczy chłodzącej (tzw. punkt zamarzania),
Sprawdzanie poziomu płynu chłodniczego w zbiorniczku wyrównawczym,
Rodzaj zastosowanej wody do mieszaniny,
Terminowa wymiana płynu według zaleceń i danych producenta pojazdu.
5
Punkt zamarzania umożliwia najlepszą ochronę przeciw krzepnięciu, lecz także daje
pewność, że poziom zawartości środków antykorozyjnych jest właściwa. Większość płynów
dostępnych na rynku krzepnie w temperaturze ok. –37
o
C, do wrzenia dochodzi dopiero przy
temperaturach rzędu 110÷120
o
C. Najlepsze płyny „gotują się” w temperaturze 140
o
C [4].
Układy chłodzenia są tak zaprojektowane, że najlepiej funkcjonują przy całkowitym
napełnieniu. Układ o stale niskim poziomie płynu może być środowiskiem silnie żrącym ze
względu na opary mieszaniny glikol-woda. Zmniejszenie poziomu płynu spowodowane jest
parowaniem wody. Ubytki należy natychmiast uzupełniać. Jeżeli ubytek płynu stanowi do
10% należy uzupełnić go wodą destylowaną, natomiast większe ubytki uzupełniamy
mieszaniną o odpowiednim stężeniu koncentratu i wody destylowanej.
Nie bez znaczenia jest również jakość użytej wody. Najlepiej używać do tworzenia
mieszaniny wody destylowanej. Woda wodociągowa zawiera minerały (magnez i wapń),
które mogą tworzyć osady. Prowadzi to do mniejszej przewodności cieplnej, a w przypadku
oderwania osady mogą zapchać chłodnicę. Należy pamiętać, że zaledwie 6% nalotu na
powierzchni układu zmniejsza rozpraszanie ciepła o 40% [1]. Inne pierwiastki występujące
w wodzie mogą wywoływać korozję (żelazo, chlor).
4. WYKONANIE ĆWICZENIA
Określenie temperatury zamarzania płynu chłodzącego można dokonać odpowiednio
dobranym areometrem cieczowym. Mierzy się nim ciężar właściwy względnie gęstość płynu
chłodzącego. Końcówkę rurki należy zanurzyć w chłodnicy lub zbiorniczku wyrównawczym
płynu chłodzącego i za pomocą gruszki pobrać tyle płynu aby pływak mógł swobodnie
pływać. Na odpowiedniej skali należy odczytać wskazaną poziomem cieczy temperaturę
zamarzania. Skala, na której mamy odczytać temperaturę, zależy od stosowanego płynu:
Zielona – dla glikolu-etylenowego, lub innych glikoli;
Biała w przypadku metanoli lub innych alkoholi.
Badanie za pomocą refraktometru, pozwala określić aktualną odporność na
zamarzanie płynów w samochodowych układach chłodzenia, w zbiornikach spryskiwaczy
szyb, a także gęstość elektrolitu w akumulatorze. Schemat urządzenia przedstawiono na
rysunku 4.
Rys. 4. Schemat refraktometru, 1 – pryzmat, 2 – pokrywa, 3 – śruba kalibracji, 4 – korpus, 5 – okular [2]
Wynik dokonanego pomiaru opiera się na zależności między kątem załamania światła
przenikającego przez warstwę badanego płynu, a jego temperaturą krzepnięcia. Badanie
przeprowadza się, nakładając przy pomocy dołączonej do zestawu pipety kroplę lub dwie
badanego płynu na pryzmat urządzenia (1) i opuścić pokrywę przyrządu (2). Następnie
obracając okularem (5) ustawić ostrość i obserwować podświetlony płyn na tle odpowiedniej
skali. Wygląd skali wraz z opisem przedstawiono na rysunku 5.
6
Rys. 5. Skala refraktometru, A – dla elektrolitu, B – dla płynu chłodniczego [2]
Obraz badanego płynu widziany jest w testerze jako dwa obszary jasny i ciemny
z wyraźną linią przejścia. Górna część jest niebieska, dolna biała. Linia pomiędzy obszarem
białym a niebieskim będzie wskazywała temperaturę zamarzania lub gęstość w zależności od
użytego płynu [2]. Wartość odporności na zamarzanie płynu lub gęstości elektrolitu
odczytujemy obserwując, w którym miejscu na tle skali przyrządu układa się linia przejścia
z pola jasnego w ciemne.
Sprawozdanie powinno zawierać:
cel ćwiczenia laboratoryjnego,
wykaz przyrządów pomiarowych,
wyniki pomiarów w formie tabelarycznej i graficznej,
podsumowanie ćwiczenia.
5. LITERATURA
[1] Bartoszewicz D.: Płyny do chłodnic. Auto moto Serwis, nr 11/2008.
[2] Instrukcja obsługi, refraktometr AE300154.
[3] Poradnik Techniki Samochodowej. Wydawnictwo REA, Warszawa 2010.
[4]
http://www.abs.org.pl/truck/index.php?aid=57
luty 2012.