Пропиленгликоль в чиллере: когда применять, как рассчитать концентрацию и чем отличается от этиленгликоля

Оба вещества — двухатомные спирты, оба снижают температуру замерзания водного раствора, оба применяются как теплоносители в гидравлических контурах чиллеров. Однако выбор между ними определяется не предпочтением, а конкретными требованиями объекта.

Этиленгликоль (МЭГ) — токсичен при попадании внутрь организма, ПДК паров в воздухе рабочей зоны 5 мг/м³. Применение в системах, где возможен контакт теплоносителя с пищевыми продуктами, питьевой водой или людьми (открытые резервуары, системы ГВС с теплообменниками), запрещено. При тех же концентрациях имеет меньшую вязкость и более высокую теплопроводность по сравнению с пропиленгликолем.

Пропиленгликоль (МПГ) — малотоксичный, разрешён к применению в пищевой промышленности, медицине и фармацевтике (пищевая добавка E1520). При концентрации 0,2–0,3% в пищевых продуктах не влияет на вкус и безопасен для человека. Применяется там, где этиленгликоль исключён по санитарным требованиям. Платой за безопасность является более высокая вязкость — особенно при температурах ниже +10 °С.

Таким образом, пропиленгликоль выбирают не «вместо» этиленгликоля в общем случае, а по конкретному основанию: пищевое производство, медицина, фармацевтика, объекты питания, системы с возможным контактом с людьми. На промышленных объектах без пищевых ограничений этиленгликоль технически предпочтительнее.

Ключевые теплофизические параметры 30%-го раствора пропиленгликоля при температуре +10 °С по сравнению с водой:

• Удельная теплоёмкость: 3,92 кДж/(кг·К) против 4,19 кДж/(кг·К) у воды — снижение около 6%
• Плотность: ~1,033 г/см³ против 1,000 г/см³
• Динамическая вязкость: ~2,8 мПа·с против 1,3 мПа·с у воды — в 2,2 раза выше
• Теплопроводность: ~0,45 Вт/(м·К) против 0,58 Вт/(м·К) у воды — снижение около 22%

При снижении температуры до 0 °С вязкость 30%-го пропиленгликоля вырастает до 5–6 мПа·с — в 5–6 раз выше воды при той же температуре. При −10 °С разница ещё значительнее. Именно поэтому на форумах проектировщиков устойчива рекомендация: при температурах теплоносителя ниже 0 °С и необходимости использовать малотоксичный теплоноситель пропиленгликоль нецелесообразен — гидравлическое сопротивление становится настолько высоким, что нормальный расход через испаритель невозможно обеспечить без насоса с давлением 10–15 бар.

Таблица концентраций пропиленгликоля для защиты системы при различных температурах:

Для объектов Московского региона при наружной прокладке трубопроводов расчётная минимальная температура по СП 131.13330 составляет −25 °С (параметр Б для Москвы). С запасом 5–10 °С раствор должен не замерзать при −30…−35 °С — это концентрация 45–50%.

При такой концентрации вязкость при низких температурах становится критической — насос необходимо подбирать с существенным запасом по напору.
Концентрацию измеряют рефрактометром: при 20 °С 30% пропиленгликоль даёт показание ~11° Brix, 40% — ~15° Brix. Ареометром: 30% — плотность 1,033–1,035 г/см³ при 20 °С.

Высокая вязкость пропиленгликоля — главный инженерный вызов при переходе с воды или этиленгликоля. Влияние проявляется в трёх направлениях.

Гидравлическое сопротивление трубопровода растёт пропорционально вязкости при ламинарном режиме и пропорционально корню из вязкости — при турбулентном. При 30% концентрации и температуре +10 °С сопротивление трубопроводов и теплообменников увеличивается на 20–30% по сравнению с водой. При +5 °С — на 40–50%. Насос, подобранный под воду, в гликолевом контуре работает в нерасчётной точке — расход падает, испаритель чиллера не получает минимально необходимого потока и уходит в аварию по реле протока.

Число Рейнольдса снижается при росте вязкости: турбулентный режим (Re > 4000) труднее достигается, поток переходит в переходную или ламинарную зону. При ламинарном режиме теплоотдача в теплообменнике резко ухудшается — коэффициент теплопередачи испарителя падает на 15–25%. Для обеспечения турбулентного режима в пропиленгликолевых системах с температурой ниже +5 °С приходится принимать перепад температур на испарителе 3 °С вместо стандартных 5 °С и увеличивать расход теплоносителя.

Мощность насоса растёт: при увеличении напора на 30% и сохранении расхода потребляемая мощность насоса растёт на те же 30%. Это необходимо учитывать при выборе электродвигателя насоса гидромодуля.

Пропиленгликоль совместим со всеми материалами, применяемыми в чиллерах: нержавеющая сталь AISI 304 и 316, медь и медные сплавы, углеродистая сталь, алюминий. Агрессивности к металлам у чистого пропиленгликоля практически нет — при условии, что раствор содержит ингибиторы коррозии и pH поддерживается в диапазоне 8,0–10,5.

Чистый пропиленгликоль без ингибиторов при контакте с кислородом окисляется до молочной и пировиноградной кислот — pH раствора снижается, начинается коррозия. Пищевой пропиленгликоль без ингибиторов (марки для пищевой промышленности) не содержит антикоррозионных присадок и не предназначен для использования в замкнутых контурах чиллеров без дополнительной пакетировки ингибиторов. Применение пищевого МПГ без ингибиторов ведёт к ускоренной коррозии теплообменников.

Резиновые уплотнения и прокладки: большинство современных эластомеров (EPDM, NBR, PTFE) совместимы с пропиленгликолем в рабочих концентрациях. Натуральная резина — несовместима. При замене уплотнений в системе на пропиленгликоле уточняют марку эластомера у производителя чиллера.

Готовые теплоносители на основе пропиленгликоля для систем отопления и охлаждения содержат пакеты ингибиторов: органические ингибиторы (OAT-технология) — карбоксилаты, молибдаты, бензотриазол. Это более современная технология по сравнению с нитрит-аминными пакетами: не образует осадка, совместима с алюминием, не токсична.

Распространённые российские и импортные марки для пищевых и технических систем:

• Dixis-65 на МПГ — готовый теплоноситель, различные концентрации
• Antifrogen L (Clariant) — пропиленгликоль с пакетом ингибиторов, сертифицирован для пищевой промышленности
• Thermocool PG — российский производитель, пропиленгликоль с OAT-ингибиторами
• Dowfrost HD (Dow Chemical) — пропиленгликоль с ингибиторами, применяется в пищевой промышленности и фармацевтике

При приготовлении раствора из технического МПГ необходимо самостоятельно вводить ингибиторный пакет согласно рекомендации производителя. Дозировка ингибиторов обычно 0,3–0,5% от объёма раствора. Занижение дозировки снижает защитный эффект; завышение может вызвать выпадение осадка.

Паспортная холодопроизводительность чиллера всегда задана для воды. При переходе на пропиленгликоль производительность снижается из-за ухудшения теплопередачи в испарителе:

Расход теплоносителя через испаритель необходимо увеличить для компенсации сниженной теплоёмкости. Формула с поправкой:
G_пг = Q / (ΔT × c_пг × ρ_пг / 3600), м³/ч
где c_пг — удельная теплоёмкость раствора, кДж/(кг·К); ρ_пг — плотность, кг/м³. Поправочные коэффициенты для конкретной серии чиллера запрашиваются у производителя.

Плановый контроль пропиленгликолевого раствора — не реже одного раза в год при каждом ТО.

Минимальный набор измерений:

• концентрация — рефрактометром (°Brix) с пересчётом по таблице для МПГ
• pH — pH-метром или полосками (норма 8,0–10,5)
• визуальная оценка — цвет (норма светло-жёлтый), отсутствие осадка и мути

Расширенный лабораторный анализ (при наработке более 3 лет):

• содержание хлоридов (норма < 25 мг/л для алюминия)
• концентрация ингибиторов (органические карбоксилаты методом ИК-спектроскопии)
• содержание растворённых металлов: железо (норма < 0,5 мг/л), медь (< 0,2 мг/л)

Срок службы раствора на качественном готовом теплоносителе с OAT-ингибиторами — 5–7 лет при закрытом контуре без доливки воды. При регулярных доливках для восполнения потерь концентрация снижается — каждую доливку учитывают и при необходимости корректируют концентрацию.

Использование пищевого МПГ без ингибиторов. Пищевой пропиленгликоль — чистое вещество без антикоррозионных присадок. За один сезон в замкнутом контуре с кислородом pH падает до 5–6, начинается коррозия теплообменников. Для систем чиллеров нужен только технический или пищевой МПГ с ингибиторным пакетом для закрытых систем охлаждения.

Насос не пересчитан под вязкость. Гидромодуль подобран для воды. В пропиленгликолевом контуре при низких температурах расход падает в 1,5–2 раза — срабатывает реле протока. Причину ищут в чиллере, а она — в несоответствии насоса условиям работы.

Концентрация определена «на глаз». 30 и 40% выглядят одинаково. Без рефрактометра разница концентраций 10% не определяется визуально. При недостаточной концентрации при −15 °С раствор загустевает до консистенции геля — нормальная прокачка невозможна.

Переход с этиленгликоля на пропиленгликоль без промывки системы. Смешивание этиленгликоля с пропиленгликолем снижает эффективность ингибиторов обоих растворов — происходит конкуренция пакетов. Перед заменой теплоносителя система промывается водой до полного вытеснения остатков прежнего раствора.

Применение пропиленгликоля при температурах ниже 0 °С в системах с длинными трассами. При −5…−10 °С вязкость 35%-го МПГ настолько высока, что обеспечение турбулентного режима в мелких теплообменниках фанкойлов требует нереалистичного давления насоса. В таких случаях вместо пропиленгликоля рассматривают Dowcal 20 (водный раствор этилкарбитола) или соляные растворы с совместимыми ингибиторами — при условии, что они допустимы на данном объекте по санитарным требованиям.