Хладоноситель
Владельцы патента RU 2682829:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет инженерных технологий" (ФГБОУ ВО "ВГУИТ") (RU)
Изобретение относится к холодильной и отопительной технике, в частности к жидким рабочим составам для применения в качестве промежуточного хладоносителя или низкозамерзающего теплоносителя. Хладоноситель содержит, мас.%: нитрат кальция 45,0, изопропанол 10,0, бихромат калия 0,50 – 1,0, воду – остальное. Технический результат – снижение коррозионной активности, применение хладоносителя в широком диапазоне температур: от 0оС до -30оС и снижение его стоимости. 3 табл.
Изобретение относится к холодильной и отопительной технике, в частности, к жидким рабочим составам для применения в качестве промежуточного хладоносителя или низкозамерзающего теплоносителя и может быть использовано в химической промышленности в интервале температур от 0 до минус 30 °С.
Известны хладоносители на основе органических солей – ацетатов и формиатов, которые характеризуются низкой температурой (до минус 50 °С) и нетоксичностью.
Недостатком таких хладоносителей является значительная скорость коррозии в присутствии ионов железа. Кроме того, эти хладоносители целесообразно использовать только в закрытых системах.
Известен хладоноситель, который имеет следующий компонентный состав, % масс:
| этиловый спирт | 15,000-96,70 |
| ингибитор коррозии | 0,038-0,39 |
| скипидар | 0,010-0,10 |
| вода | остальное |
В качестве ингибитора коррозии хладоноситель содержит триэтаноламин и фосфорную кислоту в соотношении 5:1. Хладоноситель применим в диапазоне температур от 0 до минус 100 °С, имеет малую вязкость, теплофизические характеристики, близкие к воде, экологически безопасен, не горюч при температурах от плюс 10 °С и ниже.
Недостатком данного хладоносителя является его горючесть и взрывоопасность. Кроме того, хладоносители с высоким содержанием этанола в процессе эксплуатации могут быть использованы не по прямому назначению.
Существует хладоноситель с компонентным составом, % масс:
| пропиленгликоль | 34,80-39,90 |
| хлорид натрия | 12,70-11,40 |
| глюконат натрия | 0,22-0,42 |
| вода | остальное |
Он обладает рядом преимуществ, а именно: применяется в интервале температур от плюс 5 °С до минус 50 °С, обеспечивает снижение коррозионной активности за счет введения ингибитора коррозии – глюконата натрия.
Недостаток – применение только к определенным маркам стали.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является теплопередающая жидкость состава, % масс:
| пропиленгликоль | 10-65 |
| нитрат натрия | 0,003-0,15 |
| бензоат натрия | 0,015-0,75 |
| продукты взаимодействия глицерина с муравьиной кислотой |
0,002-0,10 |
| вода | остальное |
Она способствует замедлению скорости коррозии металлов. Недостаток – невозможность применения для всех материалов в широком интервале температур.
Техническая задача изобретения направлена на снижение коррозионной активности для большего количества материалов, таких как, сталь марки Ст3, чугун марки СЧ 20, медь, алюминий и латунь марки Л 80, представленных в системах охлаждения ДВС и прочих системах терморегуляции, применение его в более широком диапазоне температур и снижение стоимости хладоносителя.
Для решения технической задачи предложен хладоноситель, содержащий нитрат кальция, изопропанол и воду, отличающийся тем, что в него дополнительно введен бихромат калия при следующем соотношении компонентов, масс. %:
| нитрат кальция | 45,0 |
| изопропанол | 10,0 |
| бихромат калия | 0,5-1,0 |
| вода | остальное |
Технический результат достигается за счет того, что введение бихромата калия затрудняет анодное растворение металла в водно-спиртовом растворе нитрата кальция и, вследствие этого, скорость коррозии металла уменьшается.
В качестве основного компонента выбран нитрат кальция, получаемый как побочный продукт при производстве сложных минеральных удобрений. По своим физико-химическим свойствам нитрат кальция близок к солевым растворам на основе хлоридов натрия и кальция, и после стабилизации изопропиловым спиртом может применяться на практике в качестве хладоносителя.
Также, в качестве ингибитора, был опробован моноэтаноламин, однако его коррозионная эффективность по сравнению с бихроматом калия оказалась значительно ниже.
Методика проведения коррозионных испытаний заключалась в следующем.
Исследование коррозионной активности водно-спиртового раствора нитрата кальция проводили при комнатной температуре вольтамперометрическим методом на указанных выше металлах и сплавах, в отсутствие добавок и в присутствии бихромата калия. Использовали трехэлектродную электрохимическую ячейку с хлоридсеребряным электродом сравнения и платиновым вспомогательным электродом. Поляризационные кривые снимали при помощи потенциостата IPC-Compact, изменяя потенциал рабочего стального электрода из катодной в анодную область со скоростью 10 мВ/с. Потенциалы в работе приведены по шкале стандартного водородного электрода. Токи отнесены к геометрической площади исследуемого электрода.
Для определения базовых параметров коррозионного процесса экстраполировали линейные участки анодной и катодной кривых до взаимного пересечения в точке с координатами Екорр (потенциал коррозии) и lgiкорр (iкорр – скорость коррозии в токовых единицах).
Предлагаемый способ поясняется примерами (табл. 1, 2).
Таблица 1
| Состав теплопередающей жидкости | |||
| Теплопередающая жидкость | Состав (прототип), мас.% | Состав (предлагаемое изобретение), мас.% | |
| Пропиленгликоль | 10 | - | |
| Изопропанол | - | 10 | |
| Нитрат кальция | - | 45 | |
| Ингибиторы коррозии | Нитрит натрия | 0,003 | - |
| Бензоат натрия | 0,015 | - | |
| Продукты взаимодействия глицерина с муравьиной килотой | 0,002 | - | |
| Общее кол-во ингибиторов | 0,02 | 0,5-5 | |
| Бихромат калия | - | 0,5-5 | |
| Вода | остальное | остальное |
Таблица 2
| Коррозионные потери для различных металлов | ||
| Металл | Состав (прототип), мас.% | Состав (предлагаемое изобретение), мас.% |
| Алюминий | 0,018 | 0,5·10-6 |
| Медь | 0,02 | 1,2·10-6 |
| Сталь | 0,07 | 0,4 |
| Чугун | - | 0,035 |
| Латунь | - | 0,1·10-6 |
Эффективность добавок в отношении коррозионного процесса оценивали по стандартным параметрам: проницаемости, степени ингибиторной защиты, коэффициенту торможения. Эти параметры, найденные по пересечению линейных участков полулогарифмических поляризационных кривых, отвечающих протеканию парциальных процессов на металлы в исследуемой среде, приведены в таблице 3.
Таблица 3
| Параметры | Сталь 3 | Чугун СЧ20 |
Медь | Латунь Л80 | Алюминий | |||||
| Без добавки | К2Сr2О7 | Без добавки | К2Сr2О7 | Без добавки | К2Сr2О7 | Без добавки | К2Сr2О7 | Без добавки | К2Сr2О7 | |
| рН раствора | 7,9 | 7,7 | 7,9 | 7,7 | 7,9 | 7,7 | 7,9 | 7,7 | 7,9 | 7,7 |
| Потенциал коррозии Екорр, мВ | -331 | -443 | -168 | -201 | -108 | -91 | 73 | -94 | -711 | -472 |
| Ток коррозии iкорр, мкА/см2 | 72 | 36 | 8,5 | 2,93 | 22 | 3,3 | 17 | 0,4 | 10 | 1,8 |
| Скорость коррозии K, г/(м2ч) | 0,72 | 0,36 | 0,085 | 0,029 | 0,0000723 | 0,0000111 | 0,0000576 | 0,0000013 | 0,0000093 | 0,0000016 |
| Проницаемость П, мм/год | 0,80 | 0,40 | 0,094 | 0,035 | 8,1*10-6 | 1,2*10-6 | 80*10-6 | 0,1*10-6 | 3,4*10-6 | 0,5*10-6 |
| Степень защиты Z, % | – | 50 | – | 65 | – | 85 | – | 97 | – | 82 |
| Коэффициент торможения Y | – | 2,0 | – | 2,9 | – | 6,6 | – | 42,5 | – | 5,5 |
Видно, что в присутствии ингибитора скорость коррозии образцов металлов в новом водно-изопропиловом хладоносителе уменьшалась в 2 и более раза.
Добавление в хладоноситель ингибитора бихромата калия (0,5-1 масс.%) позволяет снизить ток коррозии, и связанные с ним параметры коррозионного процесса, замедляет процесс растворения металла, заметно увеличивая величину наклона анодных линейных участков поляризационных кривых. При увеличении содержания бихромата калия более 1 масс.% применение нового хладоносителя является экономически нецелесообразным и нарушает нормативы по коррозионной активности хладоносителей.
Предложенное соотношение компонентов позволяет:
- предотвратить выпадение избытка соли (предел растворимости) в заданном интервале температур (от 0 до минус 300С)
- раствору не замерзать и не расслаиваться.
Выбор пределов бихромата калия определен, исходя из нормативов по коррозионной активности хладоносителей, и подтверждает защитное действие бихромата калия как пассиватора коррозионных процессов. Наиболее устойчивым из всех испытуемых металлов по отношению к новому хладагенту является алюминий.
Список литературы:
1. Геннель, Л. С. Влияние хладоносителей на безопасность пищевой продукции [Текст] / Л. С. Геннель, М. Л. Галкин // Холодильный бизнес, 2003. – № 9. – С. 40.
2. Пат. 2250244 РФ. Хладоноситель для охлаждения и замораживания пищевых продуктов [Текст] / В. В. Макаров, А. А. Петрыкин, В. П. Баранник, А. В. Шамонина. – № 2003116293/04; заявл. 03.06.2003; опубл. 20.04.2005; Бюл. № 11.
3. Пат. 2489467 РФ. Хладоноситель [Текст] / А. В. Бараненко, В. В. Кириллов, О. В. Волкова, А. Е. Сивачёв, А. О. Цимбалист. – № 2011115176/05; заявл. 18.04.2011; опубл. 27.10.2012; Бюл. № 22.
4. Пат. 2296790 РФ. Теплопередающая жидкость [Текст] / Л. С. Геннель, М. Л. Галкин. – № 2005127295/04; заявл. 31.08.2005; опубл. 10.04.2007; Бюл. 10.
Хладоноситель, содержащий нитрат кальция, изопропанол и воду, отличающийся тем, что в него дополнительно введен бихромат калия при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| нитрат кальция | 45,0 |
| изопропанол | 10,0 |
| бихромат калия | 0,50 – 1,0 |
| вода | остальное |
