Определение вида и концентрации хладоносителей

М.Л. Галкин

Определение вида 
и концентрации хладоносителей

Методические указания  
к выполнению лабораторных работ 

УДК 621.56 
ББК 31.392
          Г16

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/57/book1704.html

Факультет «Энергомашиностроение» 
Кафедра «Холодильная и криогенная техника, 
системы кондиционирования и жизнеобеспечения»

Рекомендовано Редакционно-издательским советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебно-методического пособия

Рецензенты: 
д-р техн. наук, проф. О.В. Волкова,
д-р техн. наук, проф. В.Б. Сапожников

Галкин, М. Л.
Определение вида и концентрации хладоносителей : методические 
указания к выполнению лабораторных работ / М. Л. Галкин. — 
Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. — 
61, [3] с. : ил.

        ISBN 978-5-7038-4738-1

Представлены четыре лабораторные работы, посвященные определению 
видов хладоносителей различными методами и основных 
свойств хладоносителей.
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих дисциплину 
«Рабочие вещества в холодильной технике».

УДК 621.56
ББК 31.392

 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018

 
© Оформление. Издательство 

ISBN 978-5-7038-4738-1 
     МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018

Г16

Предисловие

На законодательном уровне действует ряд существенных ограничений 
по объему и виду разрешенных к применению хладагентов. 
Это одна из причин, по которой существенная доля систем хо-
лодоснабжения приходится на установки с вторичным контуром, в 
которых теплота отводится от охлаждаемого объекта к испарителю 
холодильной машины посредством рабочей жидкости — хладоно-
сителя. При этом важное влияние на эффективность, надежность 
и безопасность систем холодоснабжения оказывают эксплуатационные 
свойства конструкционных материалов и свойства хладо-
носителя, циркулирующего во вторичном контуре.
Такие системы играют важную роль в обеспечении продовольственной 
безопасности страны, как создающие температурно-
влажностные условия для обработки и хранения пищевой 
продукции. Системы холодоснабжения с вторичным контуром являются 
стандартным решением для промышленных систем кондиционирования 
и жизнеобеспечения, безальтернативны для целого 
ряда ключевых химических, металлургических, фармацевтических 
и других производств, а также для крупных спортивных сооружений, 
торговых центров, общественных зданий, сооружений и др. 
Применение хладоносителей с низкой коррозионной активностью, 
высокой химической и термодинамической стабильностью, 
а также необходимыми теплофизическими и антибактериальными 
свойствами позволяет снизить объем заправки хладагента до 100 г/кВт 
и менее и повысить энергоэффективность холодильных систем.
Перед инженерами холодильных специальностей стоят задачи 
выбора совместимых конструкционных материалов систем холо-
доснабжения и вторичных контуров в среде хладагента, масла и 
хладоносителя, отвечающих актуальным требованиям энергоэффективности, 
экологичности и надежности. 
Благодаря работам отечественной школы ученых А.М. Архарова, 
Г.А. Белозерова, В.В. Кириллова, Л.С. Генеля, А.А. Жердева, 
И.М. Кальнина, О.Б. Цветкова и других сегодня есть полноценные 
знания о проблемах вторичного контура систем холодоснабжения 

и хладоносителей. Проведена систематизация хладоносителей по 
основным веществам, получены зависимости теплофизических 
свойств хладоносителей от концентрации входящих в них компонентов, 
определены допустимые эксплуатационные пары контактирующих 
между собой конструкционных материалов и их оптимальные 
температурные интервалы эксплуатации. 
Используя эти системные знания (оптимальные и допустимые 
температурные интервалы эксплуатации материалов, зависимости 
свойств хладоносителей от состава и рН, стойкость конструкционных 
материалов — металлических и полимерных — вторичного 
контура в среде выбранного хладоносителя в требуемых температурных 
интервалах), можно прогнозировать на раннем этапе в 
процессе эксплуатации систем холодоснабжения кинетику изменения 
эксплуатационных свойств конструкционных материалов 
вторичного контура и изменение состава и свойств хладоносите-
ля, приводящих к нарушению работы систем холодоснабжения: 
повышению энергопотребления, нарушению температурных режимов 
технологии, коррозии оборудования, аварийной остановке 
систем холодоснабжения. 
Созданная наука позволяет также определить критерии оценки 
энергоэффективности и безопасности систем холодоснабжения с 
вторичным контуром, а также типы хладоносителей, обеспечивающих 
длительную надежную работу систем холодоснабжения. 
Разработаны методики профилактики и восстановления энергоэффективной (
проектной) работы действующих систем холодо-
снабжения с вторичным контуром через направленное регулирование 
состава хладоносителя.
В пособие вошли четыре работы, посвященные определению 
видов хладоносителей разными методами и их основных эксплуатационных 
свойств, позволяющих спрогнозировать энергоэффективность, 
надежность и безопасность систем холодоснабжения 
с вторичным контуром. В приложении 1 представлены справочные 
данные, необходимые для выполнения практикума. После 
завершения лабораторных работ студенту предлагается обобщить 
полученные разными методами результаты, заполнить готовые 
таблицы, приведенные в приложении 2, сделать выводы о влиянии 
эксплуатационных свойств хладоносителей на энергоэффективность 
холодильных систем с вторичным контуром, ответить на 
контрольные вопросы к лабораторному практикуму. 
Каждая лабораторная работа содержит краткие теоретические 
сведения, описание лабораторного оборудования, последователь-

ность проведения лабораторной работы, контрольные вопросы и 
список литературы. 
Цель лабораторных работ – научить студента основным методам 
контроля состава и свойств хладоносителей, критериальным 
оценкам энергоэффективности систем холодоснабжения с вторичным 
контуром, ознакомить с типовым лабораторным оборудованием 
для контроля эксплуатационных свойств хладоносителей, 
дать практические навыки работы с хладоносителем, экспериментально 
подтвердить взаимосвязь вида хладоносителя и концентрации 
основного компонента с энергоэффективностью и надежностью 
работы систем холодоснабжения с вторичным контуром.
В результате выполнения лабораторных работ студенты освоят 
алгоритм подбора хладоносителя для разных режимов эксплуатации 
по критериям энергоэффективности и безопасности систем 
холодоснабжения с вторичным контуром и методы контроля 
стабильности свойств хладоносителей в процессе эксплуатации 
систем холодоснабжения, получат практические знания о влиянии 
вида хладоносителя и его состава, в том числе концентрации 
основного компонента, на энергоэффективность систем холодо-
снабжения.
При выполнении лабораторных работ студент должен: 
• знать основы современной теории физического и химического 
строения атомов, молекул, виды химических связей, строение 
многоатомных молекул;
• понимать правила выбора вида хладоносителя и концентрации 
его компонентов и кинетику взаимодействия с конструкционными 
материалами для проектируемых систем холодоснабжения с 
вторичным контуром;
• уметь определять вид и основные свойства хладоносителя;
• составить отчет по каждой лабораторной работе и итоговый 
отчет с анализом результатов и выводами по лабораторному практикуму. 

Перед тем как приступить к выполнению каждой лабораторной 
работы, студент обязан внимательно изучить методику, по которой 
будет проводиться исследование свойств хладоносителя, принцип 
действия измерительного прибора и лабораторного стенда, а также 
правила техники безопасности и оказания первой помощи при 
несчастных случаях, приведенные в приложении 3.

Основные термины и определения

Антифриз — общее название для жидкостей, не замерзающих 
при низких температурах. Антифризы применяются в установках, 
работающих при низких температурах, для охлаждения двигателей 
внутреннего сгорания, в качестве авиационных противообледенительных 
жидкостей. В качестве базовых жидкостей антифризов 
используются смеси этиленгликоля, пропиленгликоля, глицерина, 
одноатомных спиртов и других веществ с водой.
Водородный показатель pH — величина, характеризующая 

концентрацию ионов водорода в растворах; численно равна отрицательному 
десятичному логарифму концентрации, выраженной 
в грамм-ионах на литр: pH = –lgCн, где Сн — концентрация 
ионов водорода. Например, при концентрации ионов водорода 
[H+] = 10–7 моль/л pH = 7. Водородный показатель pH наряду с 
активностью ионов водорода является параметром, существенно 
влияющим на коррозионные процессы. При рН ниже рекомендованных 
границ (в кислой среде рН < 6,9) повышается вероятность 
общих видов коррозии. При рН выше рекомендованных границ 
(в щелочной среде рН > 7,1) растет вероятность солеотложения и 
локальных видов коррозии, которые способны за короткое время 
перфорировать металл.
Ингибиторы — вещества, тормозящие химические и физико-
химические процессы, например коррозию, растворение, полимеризацию, 
окисление. Относительная масса ингибиторов, добавляемых 
в хладоноситель, может изменяться от тысячных долей 
процента до нескольких десятых долей процентов.
Коррозия — самопроизвольное разрушение металлов и сплавов 
вследствие их взаимодействия с окружающей средой.
Кристаллизация — образование из паров и растворов веществ, 

находящихся в твердом состоянии, как правило, регулярной повторяющейся 
структуры. Процесс кристаллизации сопровождается 
выделением теплоты.
Температура замерзания — температура, при которой вещество 

переходит в твердое состояние. Сопровождается, как правило, 

разрушением теплообменного оборудования. Для многокомпонентных 
жидкостей существуют температурные диапазоны фазовых 
переходов. Температура замерзания для хладоносителей с высокой 
концентрацией основного вещества — это температура, при 
которой содержание твердой фазы составляет более 70 %.
Температура начала кристаллообразования — температура, при 

которой в охлаждаемом растворе образуется рыхлая масса ассоци-
атов или кристаллов (например, воды) в основном компоненте,  
т. е. образуется шуга. Раствор при температуре начала кристаллизации 
начинает опалесцировать или мутнеть. 
Визуально температура начала кристаллообразования определяется 
как температура начала помутнения охлаждаемого раствора. 
Размеры кристаллов и их количество с понижением температуры 
растут. Поэтому при эксплуатации систем холодоснабжения 
ниже температуры начала кристаллообразования хладоносителя 
могут возникнуть проблемы, связанные с прокачкой хладоносите-
ля по системе, вплоть до размораживания оборудования: воздухоохладителей, 
градирен, трубопроводов и др.
Теплоноситель — движущаяся жидкая или газообразная среда, 
используемая для нагрева объектов при рабочих температурах 
выше +20 °C. Примерами теплоносителей служат: вода, водяной 
пар, газы, жидкие металлы, органические и кремнийорганические 
соединения.
Теплообменные системы — совокупность инженерного оборудования 
и низкотемпературной техники, обеспечивающих перенос 
теплоты в заданном количестве в конкретных условиях.
Теплопередающая жидкость — общее название для жидкостей, 

не замерзающих при температурах ниже 0 °C.
Хладагент — рабочее вещество холодильной машины.
Хладоноситель — движущаяся среда, используемая для отвода 

и переноса теплоты от охлаждаемых объектов при рабочих температурах 
ниже +20 °C без изменения агрегатного состояния или с 
изменением агрегатного состояния при постоянном давлении.

Введение

Хладоноситель в значительной мере определяет энергоэффективность, 
срок эксплуатации и безопасность систем холодоснаб-
жения с вторичным контуром. Правильный выбор хладоносителя 
на этапе проектирования системы холодоснабжения для конкретных 
режимов работы и конструкционных материалов вторичного 
контура, а также контроль состава и свойств хладоносителя в 
процессе длительной эксплуатации позволяют обеспечить энергоэффективную, 
длительную и безопасную работу системы холодо-
снабжения с вторичным контуром.

Еще в конце ХХ века теплофизикам был доступен ограниченный 

перечень веществ, пригодных для применения в качестве хладоно-
сителя. К ним относятся водные растворы солей кальция и натрия, 
бишофит (смесь солей), растворы керосина, этанола, этиленгликоля 
и т. д. Сегодня количество видов хладоносителей, доступных для 
теплофизических исследований, возросло на порядки.
Вид хладоносителя определяется основным компонентом, 
обеспечивающим низкую температуру замерзания. Различают 
следующие основные виды хладоносителей:
1) вода;
2) спиртовые:
а) одноатомные;
б) двухатомные (пропиленгликоль, этиленгликоль);
в) многоатомные (глицерин);
3) солевые:
а) органические (ацетат, формиат натрия и калия);
б) неорганические (хлорид кальция, хлорид натрия);
4) безводные (полиметилсилоксан, диметилформамид и др.);
5) эвтектические жидкости.
Хладоносители выбирают по следующим показателям: температура 
замерзания и кипения, теплоемкость и теплопроводность, вязкость, 
летучесть, температура вспышки и воспламенения, токсикологические 
свойства, коррозионная активность, вспениваемость, 
стоимость и др. В табл. В1 приведены примеры систематизации 

хладоносителей по рекомендуемым температурным интервалам 
эксплуатации и видам опасности. Важно отметить, что температура 
начала кристаллообразования хладоносителей может существенно 
отличаться от границ рекомендуемого в табл. В1 интервала эксплуатации 
в силу приоритета других эксплуатационных свойств.
В состав хладоносителей входят: основной компонент (определяет 
вид хладоносителя, температурный интервал и срок эксплуатации); 
ингибиторы коррозии (определяют срок эксплуатации); стабилизаторы (
ингибиторы деструкции); биоциды; другие целевые добавки.
В зависимости от молярной массы растворенного вещества различают 
растворы низкомолекулярных соединений (молярная масса 
менее 5000 г/моль) и растворы высокомолекулярных соединений — 
полимеры, макромолекулы которых состоят из большого числа повторяющихся 
мономерных звеньев, а молярная масса более 5000 г/моль.

Важной характеристикой, определяющей теплофизические 
свойства хладоносителя, является концентрация компонентов в 
растворе хладоносителя. На рис. В1 приведена зависимость температуры 
начала кристаллизации водных растворов основных компонентов 
хладоносителей от концентрации.

Рис. В1. Зависимость температуры начала кристаллообразования 
хладоносителей от концентрации основного компонента:
1 — аммиак; 2 — хлорид магния; 3 — хлорид натрия; 4 — хлорид 
кальция; 5 — формиат калия; 6 — ацетат калия; 7 — этилкарбитол;  
8 — этанол; 9 — пропиленгликоль; 10 — глицерин; 11 — этиленгликоль

Таблица В1 

Сравнительные оценки опасностей хладоносителей

Темпера-

турный 

интервал 

эксплуата-

ции, °C

Основа хладоносителя
Торговое название 

хладоносителя

Органо-

лептика

Пожаро-, 

взрыво- 

опасность

Теплофи-

зические 

свойства

Эконо-

мичность

Токсич-

ность

Выше +2
Вода
СП-В
5
5
5
5
5

+2 … –20
Спирты

Этиленгли-

коль

Тосол; 

Spektrogen; 

Hot Blood; 

Dowtherm SR-1

2
5
4
4
2

Пропилен-

гликоль

ХНТ-40; Норд-

вей-ПРО; Pekasol L; 

Dowcal N; Ambitrol 

NTF

5
5
3
3
5

Этиловый 

спирт
Экофрост
2
1
4
3
3

Глицерин
4
5
3
3
5

–20 … –40

Спирты

Этиленгли-

коль

Spektrogen 

GR-LV
2
5
4
3
2

Пропилен-

гликоль

ХНТ-НВ
5
5
4
3
5

ХНТ-СНВ
5
5
4
4
4

Эфиры
Этилкар- 

битол
Экосол
3
3
3
3
3