Antifriis

Jahutusvedelike värv on läbipaistvas pakendis selgelt näha

Antifriis on külmakindel jahutusvedelik, mille külmumistemperatuur on veega võrrelduna madalam. Antifriisid on ka keemilised ühendid, mida lisatakse, et vähendada vedeliku külmumispunkti allapoole seda temperatuuri, millega antud mehhanism kõige tõenäolisemalt kokku puutub. Nii lisatava lisandi kui ka vastavalt tekkiva segu kohta võib kasutada nimetust "antifriis".

Antifriiside otstarve on ära hoida külmumisel toimuvaid mehhanismide deformatsioone, mis ilmneksid, kui vedelik (vesi) jäätuks. Antifriisi segu põhjustab külmumispunkti alanemise külmas keskkonnas ja samuti keemispunkti tõusmise kuumas keskkonnas. Õige antifriisi valik võimaldab kasutada vedelikku laias temperatuuride vahemikus, mil vedelik jääb vedelasse faasi. See on oluline tõhusa soojusülekande ja soojusvahetite ettenähtud töö jaoks.

Antifriise kasutatakse muu hulgas sisepõlemismootorite ja paljude teiste soojusülekandega seotud mehhanismide jahutussüsteemides. Levinumate antifriisina kasutatavate ainete hulgas on etüleenglükool ja propüleenglükool.

Kasutamine autodes ja sisepõlemismootorites

Enamikul automootoritel on jääksoojuse eemaldamiseks vesijahutus, kusjuures süsteemis olev vedelik on tegelikult antifriisi ja vee segu, mitte puhas vesi. Autotööstuses kasutatakse laialdaselt väljendit jahutusvedelik, mis tuleneb tema esmasest funktsioonist, milleks on konvektiivne soojusülekanne sisepõlemismootorites. Kui antifriise kasutatakse autotööstuses, lisatakse ka korrosioonitõrjevahendid, et kaitsta auto radiaatorit, kuna radiaatorid sisaldavad tihtipeale mitmesuguseid erinevate elektrokeemiliste potentsiaalidega metalle (alumiinium, malm, vask, messing, jootetina jne). Samuti lisatakse määrdeaine veepumba tihendile.

Antifriis töötati välja, et lahendada vee kui soojusülekandevedeliku puudujäägid. Paljudes mootorites lisatakse ka külmutuskorgid nendesse mootoriploki osadesse, kus voolab jahutusvedelik. See on lisakaitse külmumiskahjude eest, juhuks kui õhutemperatuur langeb allapoole vee ja antifriisi segu külmumispunkti. Külmumiskorke ei tohi segamini ajada tavaliste korkidega, mis asuvad mootoriplokis, et valamisprotsessi käigus kasutatud liiva oleks võimalik eemaldada (kuigi ka tavalised korgid surutakse jahutusvedeliku külmumisel välja.

Teisalt võib jahutusvedelik liiga kõrgel temperatuuril hakata mootoris keema, põhjustades kuuma auruga täidetud taskuid, mis põhjustavad lokaliseeritud kuumi alasid ja mootori katastroofilise rikke. Kui jahutusvedelikuna kasutataks puhast vett, edendaks see galvaanilist korrosiooni. Sobiv mootori jahutusvedelik ja survestatud jahutussüsteem aitavad ennetada probleeme, mis tekiksid auto mootori ja puhta vee kokkusobimatusest. Õige antifriisi kasutamisel on võimalik jahutusvedelikul saavutada suur temperatuuride amplituud, näiteks 50% propüleenglükooli lahus, 1,034-baarise (15 psi) rõhuga jahutussüsteemis, võib esineda temperatuuridel −37 ... 129 °C.

Varem kasutati jahutusvedeliku antifriisina metanooli (metüülalkohol), mida tänapäevani leidub klaasipesuvedelikes. Metanool aurustus, kuna radiaatori korgid olid ventileeritud, mitte suletud. Seetõttu tuli jahutusvedelikku sagedasti vahetada, et see ära ei külmuks. Lisaks kiirendab metanool metallide, eriti alumiiniumi, korrosiooni. Neid metalle aga kasutatakse mootoris ja jahutussüsteemides. Kui töötati välja etüleenglükool, asendas see metanooli mootori jahutussüsteemide antifriisina. Etüleenglükooli lenduvus võrreldes metanooli ja veega on väga madal.

Muud kasutusvõimalused

Kõige levinumad veepõhised antifriisilahused, mida kasutatakse elektroonika jahutamiseks, on vee ja etüleenglükooli või propüleenglükooli segud. Etüleenglükoolil on pikk ajalugu just autotööstuses. Siiski sisaldab etüleenglükooli lahus, mida kasutatakse autotööstuses, tihti silikaadil põhinevaid korrosioonitõrjevahendeid, mis võivad katta või ummistada soojusvaheti pindasid. Propüleenglükooli lahuse kasutamine jahutusvedelikuna on selle keskkonnasõbralikkuse ja mittetoksilisuse tõttu aina rohkem levinud. Etüleenglükool vajab erilist tähelepanu nii kasutamisel kui ka kasutusest kõrvaldamisel, kuna asub mürkkemikaalide nimekirjas.

Etüleenglükoolil on soovitud termilised omadused, sealhulgas kõrge keemispunkt, madal külmumispunkt, stabiilsus laias temperatuurivahemikus ning kõrge erisoojus ja soojusjuhtivus. Lisaks on etüleenglükoolil ka madal viskoossus. Kuigi etüleenglükooli lahusel on paremad füüsikalised omadused kui propüleenglükooli lahusel, siis viimast kasutatakse, kui kemikaali toksilisus võib osutuda probleemiks. Toidutööstuses kasutamiseks peetakse propüleenglükooli lahust üldiselt piisavalt ohutuks. Lisaks saab seda kasutada kinnistes ja kehva õhuvahetusega ruumides.

Levinud ained

Antifriiside valmistamiseks segatakse enamasti destilleeritud vesi mingisuguse alkoholiga.

Metanool

Metanool (teatud ka kui metüülalkohol, karbinool, puupiiritus) on keemiline ühend valemiga CH₃OH. See on kõige lihtsam alkohol. Metanool on kergesti lenduv, värvitu, tuleohtlik, spetsiifilise lõhnaga mürgine vedelik. Metanooli lõhn on mõnevõrra mahedam ja magusam kui etanooli (etüülalkohol) lõhn. Toatemperatuuril on tegu polaarse lahustiga, mida kasutatakse antifriisi, lahusti, kütuse ja ka etüülalkoholi denaturaadina. Metanool ei ole populaarne mootorites, kuid seda võib leida autode klaasipesuvedelikes, jäätõrje kemikaalides ja bensiini lisandites.

Etüleenglükool

Etüleenglükool ehk 1,2-etaandiool (keemilise valemiga HOCH₂–CH₂OH) on värvuseta, õlikas, magusa maitsega ja väga mürgine vedelik. Etüleenglükooli lahused muutusid kättesaadavaks 1926. aastal. Neid turustati "jäädavate antifriisidena", kuna kõrgema keemistemperatuuri tõttu sai neid samahästi kasutada nii suvel sooja ilmaga kui ka talvel külma ilmaga. Neid kasutatakse tänapäeval paljudes kohtades, sealhulgas siis autodes jahutusvedelikuna.

Mürgisus

Etüleenglükool on inimestele ja teistele elusolenditele mürgine. Seega tuleb teda kasutada, käidelda ja kõrvaldada nõuetekohaselt. Kuna tal on magus maitse, esineb etüleenglükooli tarbimise õnnetusjuhtumeid või tema tahtlikku kasutamist mõrvarelvana, mis leiab kajastust ka meedias. Sedalaadi mürgistust on raske tuvastada ilma spetsiifiliste testideta, kuna sümptomid jäljendavad teisi haigusi. Lisaks on sümptomite hulk väga laialdane, sealhulgas kõhulahtisus ja oksendamine. Osa etüleenglükool antifriise sisaldab aineid nagu denatooniumbensoaat, mis põhjustab mõru maitse, et oleks võimalik ennetada tahtlikke ja õnnetusjuhtumeid.

Glütserool

Glütserooli on kasutatud autode antifriisides. Kuna ta pole toksiline, on võimalik, et teda kasutatakse tulevikus muudes rakendustes.

Propüleenglükool

Propüleenglükool ehk propaan-1,2-diool on mittetoksiline antifriis. Seda kasutatakse antifriisina siis, kui etüleenglükooli kasutamine on sobimatu. Seda esineb toiduainetetööstuses või kodumajapidamise veetorustikes, kus on võimalik aine juhuslik organismi sattumine. Propüleenglükool oksüdeerub õhu ja soojuse juuresolekul piimhappeks. Tekkiv vedelik võib olla söövitav, seega lisatakse propüleenglükoolile pH-d puhverdavaid aineid, mis hoiavad ära metallosade korrosiooni.

Külmumispunkti mõõtmine

Antifriis vajab perioodilist kontrolli pärast veega segamist ja kasutusele võtmist. Kui jahutusvedelik lekib, keeb või on vaja radiaatorit tühjendada ja uuesti täita, siis tuleb arvestada antifriisi külmakaitse omaduste võimaliku muutusega. Võib tekkida vajadus lisada antifriisi või vähendada vee kogust.

Kasutusel on kolm tüüpilist külmumispunkti määramise meetodit.

1. Erikaal (kasutatakse hüdromeetrit või ujuvat indikaatorit).
2. Refraktomeeter kasutab lahuse optilisi omadusi.
3. Testribad, mis on spetsiifilised ühekordsed indikaatorid külmumispunkti mõõtmiseks.

Kuigi etüleenglükooli hüdromeetrid on hästi turustatud ja laialdaselt kättesaadavad, annavad nad siiski kõrgetel temperatuuridel vale tulemuse, kuna erikaal muutub koos temperatuuriga. Propüleenglükooli lahuste uurimisel ei saa kasutada erikaalu üheselt mõistetavate tulemuste saavutamiseks, kuna näiteks 40% ja 100% lahuse erikaal on täpselt sama.

Korrosioonikaitse

Enamik antifriise, mida võib laialdaselt kaubandusest leida, sisaldavad lisaainetena korrosioonitõrjeaineid ning ka värvaineid (tavaliselt roheline, punane, oranž, kollane või fluorestseeriv sinine), et lahuseid eristada. Kõige tavapärasem on 1:1 veega lahjendus, mille tulemusel, sõltuvalt lisaainete sisaldusest, saavutatakse külmumispunkt umbes −37 °C. Soojematel või külmematel aladel kasutatakse vastavalt väiksemaid või suuremaid lahjendusi. Lahjenduste vahemik 40%/60% kuni 60%/40% peaks tagama hea korrosioonikaitse ja 70%/30% peaks tagama maksimaalse külmumiskaitse kuni −64 °C.

Traditsioonilised korrosioonikaitsevahendid

Autode korrosioonitõrjes on traditsiooniliselt kasutatud silikaate ja fosfaate. Ameerika päritolu autodes kasutatakse mõlemat, kuid Euroopa tööstuses kasutatakse fosfaate ja muid inhibiitoreid, aga mitte silikaate. Samuti Jaapani autotööstus.

Lisandid

Kõik autodes kasutatavad antifriisid, kaasa arvatud uuemad orgaanilise happe lisandiga (OAT antifriis), on mingil määral keskkonnaohtlikud. Seda tänu lisandite segule (umbes 5% antifriisist), kuhu kuuluvad määrdeained, puhvrid ja korrosiooni inhibiitorid.

Tootja tagatud materjali ohutuskaartidel on loetletud ainult need lisaühendid, mida võib pidada ohtlikuks, kui antifriisi kasutatakse vastavalt tootja ettekirjutustele. Ülejäänud lisaühendid on antifriisi seotud ja ei tohiks omada otsest ohtu. Tüüpilisemad lisandid on naatriumsilikaat, dinaatriumfosfaat, naatriummolübdaat ja dekstriin (hüdroksüetüültärklis).

Antifriisile lisatakse dinaatrium fluorestseiini värve toodete eristamiseks ja lekete asukohta kindlakstegemiseks.

Autode antifriisil on korrosioonitõrjeaine tolüültriasooli tõttu iseloomulik lõhn. Tööstuses kasutatava tolüültriasooli ebameeldiv lõhn tuleneb tootmisel tekkivate kõrvalsaaduste toluidiini isomeeride (orto-, meta- ja para-toluidiin) ja meta-diaminotolueeni ebapuhtusest. Need kõrvalsaadused on väga aktiivsed ja eritavad lenduvaid aromaatseid amiine, millest tulenebki ebameeldiv lõhn.