Гликолевый чиллер: концентрация, свойства теплоносителя и контроль качества

Чистая вода — оптимальный теплоноситель по теплофизическим свойствам: высокая теплоёмкость, низкая вязкость, хорошая теплопроводность. Однако вода замерзает при 0 °С, что делает её непригодной в трёх сценариях.
Первый — наружная прокладка трубопроводов или установка чиллера на кровле в климате с отрицательными зимними температурами: даже при сезонной эксплуатации возможен аварийный останов или обесточивание в мороз.
Второй — технологическое охлаждение с температурой теплоносителя ниже +3 °С: при приближении к нулю защита от замерзания испарителя срабатывает и останавливает чиллер.
Третий — объекты с требованием непрерывной работы без слива теплоносителя при длительных простоях.

Переход на гликолевый раствор в каждом из этих случаев является инженерным решением с конкретными последствиями для производительности и стоимости обслуживания. Гликоль не универсальный антифриз: его введение снижает холодопроизводительность, увеличивает вязкость контура и требует регулярного контроля концентрации и pH.

Для чиллеров применяют два типа гликолей: моноэтиленгликоль (МЭГ) и монопропиленгликоль (МПГ). Оба являются двухатомными спиртами и снижают температуру замерзания водного раствора, но различаются по токсичности, теплофизическим свойствам и области применения.

Этиленгликоль — наиболее распространённый теплоноситель для промышленных чиллеров вне пищевой сферы. ПДК паров в воздухе рабочей зоны — 5 мг/м³. Токсичен при попадании внутрь — смертельная доза для человека около 1,4 мл/кг. Применение в системах, где возможен контакт с пищевыми продуктами или питьевой водой, запрещено. Теплопроводность выше, чем у пропиленгликоля; вязкость ниже при одинаковой концентрации — это означает меньшие гидравлические потери и лучший теплообмен.

Пропиленгликоль — малотоксичный теплоноситель, разрешённый для пищевой промышленности, медицины, фармацевтики, систем ГВС при случайном контакте. Более высокая вязкость по сравнению с этиленгликолем при той же концентрации означает более высокие потери давления и необходимость увеличения расхода или давления насоса. Температура замерзания при одинаковой концентрации чуть выше, чем у этиленгликоля — при равных требованиях по защите требуется более высокая концентрация.

Расчётная минимальная температура для Москвы по СП 131.13330 (параметр Б): −25 °С. К этому значению прибавляют запас 5–10 °С — итого раствор должен не замерзать при температуре −30…−35 °С. Ниже приведены концентрации для достижения этих температур:

Для объектов Московского региона при наружной прокладке трубопроводов и возможном обесточивании рекомендуется 35–40% этиленгликоль или 40–45% пропиленгликоль. Более концентрированные растворы нецелесообразны: вязкость растёт, теплообмен ухудшается, а запас по незамерзанию избыточен.

Концентрацию измеряют рефрактометром (по показателю преломления) или ареометром (по плотности): 25% этиленгликоль — плотность 1,035–1,040 г/см³ при 20 °С; 35% — 1,050–1,055 г/см³. pH раствора должен находиться в диапазоне 8,5–10,5: кислый раствор (pH < 7) корродирует металлы контура.

При переходе с воды на гликоль изменяются три ключевых теплофизических параметра. Удельная теплоёмкость снижается: у 35% этиленгликоля она составляет около 3,65 кДж/(кг·К) против 4,19 кДж/(кг·К) у воды — снижение около 13%. Это означает, что при том же расходе теплоноситель переносит меньше тепла, и для сохранения паспортной холодопроизводительности необходимо увеличить расход теплоносителя.

Плотность гликолевого раствора выше воды: 35% этиленгликоль — около 1,052 г/см³. Это увеличивает массовый расход при том же объёмном, что незначительно компенсирует снижение теплоёмкости, но увеличивает гидравлические нагрузки.

Динамическая вязкость значительно выше воды — особенно при низких температурах. При 0 °С вязкость 35% этиленгликоля в 2,5–3 раза выше, чем у воды. Это прямо влияет на потери давления в трубопроводах и теплообменниках: при той же скорости потока гидравлическое сопротивление возрастает на 15–30% при комнатной температуре и на 40–60% при температуре +5 °С.

Паспортная холодопроизводительность чиллера всегда указывается для воды. При переходе на гликоль производительность снижается — производитель указывает поправочные коэффициенты для каждой серии. Ориентировочные потери:

Для сохранения теплового баланса при работе на гликоле необходимо увеличить расход теплоносителя через испаритель на 15–20% по сравнению с водой. Это означает пересчёт характеристик насоса: новая рабочая точка лежит правее по кривой Q-H. При использовании встроенного гидромодуля производителя необходимо уточнить допустимый диапазон расхода для гликолевых растворов — не все гидромодули рассчитаны на увеличенный расход.

При подборе нового насоса для гликолевого контура расчёт ведут по формуле с поправкой на плотность и вязкость: напор пересчитывают в единицах давления (Па), а не метрах водного столба.

Чистый этиленгликоль или пропиленгликоль без присадок агрессивен к металлам: при окислении образует гликолевую и щавелевую кислоты, которые корродируют медь, сталь и алюминий.

Готовые теплоносители (Dixis, Antifrogen N/L, Clariant Antifrogen, Thermocool и аналоги) содержат пакеты ингибиторов коррозии: нитриты, молибдаты, бензотриазолы, силикаты — в зависимости от рецептуры. Никогда не используют автомобильный антифриз (Тосол, Антифриз): в его состав входят компоненты, несовместимые с алюминиевыми сплавами теплообменников чиллеров.

Ингибиторы деградируют в процессе эксплуатации: окисляются, вступают в реакцию с кислородом и металлами контура. Признаки истощения ингибиторов: снижение pH ниже 8,0, появление тёмного осадка в смотровом стекле, коррозионные отложения на фильтре-грязевике. При pH ниже 7,5 раствор подлежит замене или нейтрализации с добавлением свежего пакета ингибиторов.

Плановый контроль выполняется не реже одного раза в год при каждом ТО, а при подозрении на деградацию — внепланово.

Минимальный набор измерений:

• концентрация гликоля — рефрактометром или ареометром
• pH раствора — pH-метром или индикаторными полосками (норма 8,5–10,5)
• визуальная оценка — цвет (норма светло-жёлтый или бесцветный), отсутствие взвеси и осадка

Расширенный анализ (лабораторный, при наработке более 3 лет):

• жёсткость воды в растворе (остаточная)
• содержание хлоридов (норма < 25 мг/л для алюминия, < 200 мг/л для стали)
• концентрация ингибиторов (молибдаты, нитриты)
• содержание растворённых металлов (железо, медь, алюминий) — признак коррозии

Срок службы раствора: готовые теплоносители на этиленгликоле с пакетом ингибиторов — 5–7 лет при закрытом контуре без доливки воды. Пропиленгликоль — 3–5 лет. При регулярных доливках для восполнения потерь концентрация постепенно снижается — каждое добавление воды разбавляет раствор, поэтому после доливки концентрацию перемеряют и при необходимости корректируют.

Замена раствора выполняется при pH ниже 7,5, обнаружении значительных коррозионных продуктов или истечении расчётного срока службы.

Порядок замены:

1. Слив отработанного раствора через дренажный клапан в нижней точке контура в ёмкость для сбора.
2. Промывка контура чистой водой: заполнение — циркуляция 30–60 мин — слив. Повторить 2–3 раза до прозрачного слива.
3. Заполнение готовым теплоносителем требуемой концентрации или смешивание дистиллированной/деминерализованной воды с гликолем в пропорции, рассчитанной по таблице концентраций.
4. Развоздушивание контура.
5. Контрольное измерение концентрации и pH.

Отработанный гликоль является отходом производства и не может быть слит в канализацию без очистки. Утилизация — через специализированные организации, имеющие лицензию на обращение с жидкими промышленными отходами.