Khi các bạn đến bài này thì cũng đã trải qua khái niệm, yêu cầu và nguyên lý của chất tải lạnh trong hệ thống làm lạnh. Tiếp sau đây mình sẽ chia sẻ một cái nhìn trực quan hơn về chất tải lạnh gốc glycol.
 |
| Tổng quan về chất tải lạnh gốc Glycol. |
Thành phần
Thành phần nguyên liệu và tính năng cơ bản của dung dịch chất tải lạnh gốc glycol được đưa ra trong bảng dưới đây:
| STT | Thành phần | Chức năng |
|---|---|---|
| 1 | Glycol | Chất nền và hạ điểm đông |
| 2 | Phụ gia chống ăn mòn | Chống ăn mòn kim loại |
| 3 | Phụ gia chống tạo bọt | Thoát khí, ngừa bọt |
| 4 | Nước cất | Dung môi và hạ điểm đông |
Chất nền
Chất nền cho chất tải lạnh thường được sử dụng là các hợp chất Glycol như monoetylen glycol (MEG), dietylen glycol (DEG), Propylen glycol (PG). Các hợp chất này có tác dụng hạ điểm đông đặc khi tạo dung dịch với nước, hạn chế sự bay hơi nước nhằm tránh hao hụt cho chất tải lạnh trong quá trình làm việc.
Phụ gia chống ăn mòn
Chất tải lạnh gốc glycol có chứa nước, một tác nhân gây ăn mòn đối với các vật liệu kim loại và hợp kim có mặt trong hệ thống làm lạnh. Các sản phẩm ăn mòn được tạo ra trong hệ thống làm lạnh gây phá huỷ hệ thống, khiến hệ thống làm việc kém hiệu quả hoặc thậm chí gây nguy hiểm cho người vận hành. Vì vậy, trong thành phần chất tải lạnh phải có chất ức chế ăn mòn kim loại. Nghiên cứu chất ức chế ăn mòn cho chất tải lạnh là một trong những nội dung quan trọng có thể thu được sản phẩm chất lượng. Các hợp chất chống ăn mòn có tác dụng chống ăn mòn phần lớn là nhờ tạo một lớp màng bảo vệ trên bề mặt kim loại. Các chất ức chế khác nhau sử dụng đối với các kim loại khác nhau, mỗi loại đều có các ưu điểm và nhược điểm.
Hợp chất photphat là chất ức chế ăn mòn hiệu quả đối với kim loại sắt, thép, hợp kim chì-thiếc, và nhôm. Nó cũng là chất đệm hiệu quả để kiểm soát độ pH. Nhưng nhược điểm của hợp chất này là tạo kết tủa với ion canxi trong nước. Đó cũng là lý do phải sử dụng nước khử ion hoá để tạo dung dịch glycol/nước.
Hợp chất tolyltriazole (TTA) và mercaptobenzothiazole (MBT) là một chất chống ăn mòn phổ biến và có hiệu quả cao đối với các kim loại đồng và hợp kim đồng. Tuy nhiên MBT không ổn định hoá học như TTA.
Nitrit là chất ức chế ăn mòn tuyệt vời đối với kim loại sắt. Tuy nhiên hợp chất này được sử dụng hiệu quả khi nồng độ cao và chất ức chế này ăn mòn các hợp kim chì-thiếc.
Hợp chất silicat là chất ức chế hiệu quả đối với hầu hết các kim loại nhưng nó có xu hướng tạo lớp cặn dày trong hệ thống làm lạnh. Hợp chất ức chế này có thể gây hỏng bơm nước.
Hợp chất cromat và dầu nhũ tương trước đây cũng thường được sử dụng, nhưng việc sử dụng hợp chất này giảm mạnh vì độ độc của nó. Các chất ức chế hiện đại đã thay thế hợp chất này.
Các công trình nghiên cứu về các chất ức chế ăn mòn kim loại trong các hệ thống làm lạnh hiện đại trên thế giới cho thấy muối của các axit hữu cơ mạch thẳng (carboxylat) có tác dụng ức chế ăn mòn kim loại rất hiệu quả trong những điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ thay đổi, tốc độ dòng chảy cao...Vì các sản phẩm này không còn chứa bất kỳ các hợp chất vô cơ nên chúng không còn bị ảnh hưởng bởi các hạn chế cục bộ, hay giảm hàm lượng như các chất ức chế vô cơ thường gặp phải. Việc sử 9 dụng hoàn toàn hợp chất chống ăn mòn cacbôxylat không độc hại và có khả năng phân huỷ sinh học, thoả mãn được các yêu cầu về môi trường mà vẫn không bị mất mát các tính năng của sản phẩm.
Phụ gia chống tạo bọt
Để phòng chống ăn mòn xâm thực do bọt khí trong chất tải lạnh gây ra, phụ gia chống tạo bọt được sử dụng. Các phụ gia chống tạo bọt thường được sử dụng là octyl- alcohol, triamylamine, các copolyme propylen oxit-etylen oxit có khả năng phân tán được trong dung dịch nước.
Nước
Nước có trong có trong thành phần của chất tải lạnh có tác dụng tạo dung dịch với hợp chất glycol để có tác dụng hạ điểm đông xuống nhiệt độ yêu cầu của hệ thống làm lạnh. Chất lượng nước sử dụng trong dung dịch glycol rất quan trọng.
Nước sinh hoạt có ưu điểm là rẻ tiền và có sẵn. Tuy nhiên nước sinh hoạt có chứa nhiều tạp chất có hại như các ion canxi, magiê, sulphát, clo... Hàm lượng các ion canxi và magiê cao sẽ tác dụng với các chất ức chế ăn mòn trong chất tải lạnh tạo kết tủa làm tắc ống dẫn hoặc các chất kết tủa này sẽ bám trên bề mặt truyền nhiệt làm giảm tính năng truyền nhiệt. Hàm lượng các ion sulphat và clo quá cao sẽ tác dụng với thành phần ức chế ăn mòn làm giảm hiệu quả chống ăn mòn của dung dịch chất tải lạnh do đó làm giảm thời gian sử dụng của chất tải lạnh. Do vậy nước dùng để tạo dung dịch với glycol phải là nước cất hoặc là nước đã qua xử lý bằng thiết bị trao đổi ion.
Các tính chất của chất tải lạnh gốc glycol
Khả năng truyền nhiệt.
Vai trò quan trọng của chất tải lạnh trong hệ thống làm lạnh là khả năng dẫn nhiệt để làm lạnh các hộ tiêu thụ lạnh. Nếu chất tải lạnh không dẫn nhiệt lạnh nhanh hiệu quả thì các không đảm bảo chất lượng của sản phẩm cần được làm lạnh. Chất tải lạnh phải có tính năng truyền nhiệt cao được xác định bởi hệ số truyền nhiệt. Hệ số truyền nhiệt càng cao thì hiệu quả truyền nhiệt của chất tải lạnh càng cao. Hệ số truyền nhiệt tỷ lệ thuận với tỷ nhiệt, nhiệt trị, và tỷ trọng của chất tải lạnh. Hệ số truyền nhiệt tỷ lệ nghịch với độ nhớt.
Tác dụng hạ điểm đông đặc.
Ngoài tính chất cơ bản của một chất tải lạnh là khả năng truyền nhiệt thì phải đảm bảo không đông đặc khi làm việc ở điều kiện nhiệt độ thấp. Do vậy chất tải lạnh gốc glycol được tạo dung dịch với nước để hạ điểm đông đặc. Nồng độ chất tải lạnh trong dung dịch càng cao thì nhiệt độ đông đặc của dung dịch chất tải lạnh càng thấp. Tuỳ vào yêu cầu nhiệt độ của hệ thống làm lạnh mà chất tải lạnh glycol được tạo dung dịch với nồng độ phù hợp.
Tác dụng tăng nhiệt độ sôi.
Chất tải lạnh gốc glycol dạng đặc có tác dụng tăng nhiệt độ sôi khi tạo dung dịch với nước. Các dung dịch chất tải lạnh gốc glycol có nhiệt độ sôi cao hơn so với nước và các dung dịch chất tải lạnh là rượu đơn chức (metanol, etanol).
Khả năng tạo bọt
Hệ thống làm lạnh hoạt động bình thường thấy có bọt khí xuất hiện trong dung dịch chất tải lạnh. Bọt khí tạo ra do các nguyên nhân chủ yếu sau:
- Hệ thống làm lạnh không kín làm cho không khí từ bên ngoài lọt vào dẫn đến sự hình thành bọt khí.
- Trong bơm áp suất chất lỏng thay đổi liên tục tạo điều kiện hình thành bọt khí.
Bọt sinh ra trong chất tải lạnh sẽ làm ngăn cản khả năng truyền nhiệt trên bề mặt truyền nhiệt. Ngoài ra khi bọt khí hình thành và bị vỡ liên tục sẽ tạo thành trên bề mặt truyền nhiệt áp suất do đó gây ra hiện tượng ăn mòn xâm thực phá huỷ các lớp màng bảo vệ và tạo lỗ trên bề mặt kim loại. Việc tạo lỗ và làm mất màng bảo vệ sẽ thúc đẩy quá trình ăn mòn trên bề mặt kim loại.
Tính an toàn cháy nổ
Một tính chất quan trọng của chất tải lạnh trong quá trình vận chuyển và bảo quản là khả năng bắt cháy. Nguy cơ cháy nổ sẽ xảy đối với chất tải lạnh dễ cháy khi bị rò rỉ. Các chất nền sử dụng làm chất tải lạnh trước kia là metanol và etanol có khả năng bắt cháy cao. Tuy nhiên đối với các chất tải gốc glycol không được coi là chất lỏng dễ cháy. Dung dịch chất tải lạnh sẽ không bắt cháy với nồng độ dưới 80% thể tích chất tải lạnh/nước.
Tính tương thích với vật liệu sơn phủ
Một vấn đề thường gặp trong các hệ thống làm lạnh là việc sử dụng các thiết bị tồn chứa được sơn phủ. Chất tải lạnh gốc glycol có chứa các phụ gia chống ăn mòn ảnh hưởng đến sơn như sự mất màu, giảm độ bóng, làm mềm hoặc có tác dụng dung môi làm tróc các lớp sơn phủ.
Độ độc
Độ độc được đánh giá bằng trị số LD 50 (liều lượng gây chết trung bình ) là liều lượng chất độc gây chết cho một nửa (50%) số cá thể dùng trong nghiên cứu. Độ độc càng cao thì trị số LD 50 càng nhỏ. Trị số LD 50 được tính theo đơn vị mg/kg. Phân loại độ độc theo quy định của WHO của chất lỏng qua đường miệng được đưa ra dưới đây:
| Mức độ độc | Trị số LD 50, mg/kg |
|---|---|
| Rất độc | ≤ 20 |
| Độc | 20 – 200 |
| Độc trung bình | 200 – 2000 |
| Ít độc | > 2000 |
Tính tương thích với các vật liệu kim loại
Các chất tải lạnh gốc glycol có chứa nước, một tác nhân gây ăn mòn đối với các vật liệu kim loại và hợp kim có mặt trong hệ thống làm lạnh. Các sản phẩm ăn mòn tạo ra trong hệ thống làm lạnh do sự ôxy hoá của glycol gây phá hủy hệ thống, khiến hệ thống làm việc kém hiệu quả hoặc thậm chí gây nguy hiểm cho người vận hành. Vì vậy, trong thành phần chất tải lạnh gốc glycol phải có chất ức chế ăn mòn kim loại.
Chất tải lạnh gốc glycol có chất ức chế ăn mòn sẽ làm tăng thời gian sử dụng của hệ thống và thiết bị, giảm chi phí thời gian ngừng sản xuất.
Vấn đề ăn mòn và bảo vệ ăn mòn trong hệ thống làm lạnh
Nước và dung dịch glycol/nước thường được sử dụng trong hệ thống làm lạnh nhưng chúng có thể gây ăn mòn trong hệ thống. Sự ăn mòn có thể dẫn đến làm giảm tính năng nhiệt của hệ thống do tạo cặn trên bề mặt truyền nhiệt, giảm lưu lượng vì giảm kích thước ống do tạo cặn ăn mòn và cần thiết phải thay thiết bị vì nguy hiểm ăn mòn Sự ăn mòn hoá học hoặc phản ứng điện hoá giữa kim loại và môi trường chất lỏng có thể dẫn đến hỏng kim loại và các tính chất của nó.
Sự ăn mòn hóa học
Sự ăn mòn các thành phần kim loại là vấn đề cố hữu của nước và dung dịch glycol/nước trong hệ thống làm lạnh vì các kim loại có xu hướng bị ôxy hoá khi có mặt nước. Sự hoà tan ôxy trong nước làm tăng tốc quá trình ăn mòn. Trong hệ thống ống kín, ôxy hoà tan tích tụ lâu ngày làm tăng nguy cơ ăn mòn. Tuy nhiên đối với hệ thống hở, sự thoát khí liên tục cho phép ôxy hoà tan vào dung dịch. Do đó, hệ thống hở thường chịu sự ăn mòn hơn so với hệ thống kín.
Sự ăn mòn bao gồm ăn mòn chung và ăn mòn cục bộ . Ăn mòn chung là hao hụt khối lượng đồng đều đối với toàn bộ bề mặt kim loại. Kiểu ăn mòn này không đặc trưng cho hỏng hóc chung của hệ thống bởi vì tốc độ hao hục kim loại có thể được phát hiện ra trước khi phá vỡ kim loại. Kiểu ăn mòn cục bộ không dự đoán được trước.
Thông thường chỉ ra dạng xâm thực mà có thể xuyên thủng kim loại nhanh chóng tạo ổ và lỗ. Một dạng thường gặp của ăn mòn cục bộ là sự tạo lỗ xảy ra khi bọt khí tạo thành trong chất lỏng. Quá trình này xảy ra khi áp xuất cục bộ gần bề mặt kim loại bị thủng dưới áp suất khí của bọt khí trong chất lỏng. Khi các bọt khí này vỡ ra, nó sẽ sinh ra một lượng lớn năng lượng do vậy làm thủng nghiêm trọng các thành phần kim loại của hệ thống (thường gặp ở các bơm nước) dẫn đến giảm khả năng bơm.
Ăn mòn xâm thực trong hệ thống làm lạnh
Hệ thống trao đổi nhiệt và dàn lạnh được sử dụng trong các ứng dụng làm lạnh để tải nhiệt và truyền nhiệt từ bởi các dung dịch tải lạnh glycol/nước. Có rất nhiều sự kết hợp giữa các chất tải lạnh và vật liệu kim loại sử dụng trong lĩnh vực này. Sự kết hợp chính đối với sự lựa chọn vật liệu kim loại trong hệ thống là khả năng chống ăn mòn. Sự ăn mòn có nhiều dạng khác nhau trong đó có ăn mòn xâm thực. Tầm quan trọng của sự hiểu biết tính chất chất lỏng cũng như tính chất vật liệu thành phần trong hệ thống để giảm thiểu ăn mòn xâm thực và tối ưu các tính năng hệ thống và thời gian sử dụng.
Ăn mòn xâm thực là sự tăng tốc ăn mòn kim loại do mối liên hệ giữa sự chuyển động của chất lỏng và bề mặt kim loại. Điển hình là chỗ đường ống gấp khúc, sự tiết lưu ống và các cấu trúc khác làm đổi hướng và thay đổi tốc độ dòng chảy. Cơ chế đối với kiểu ăn mòn này là lưu lượng chất lỏng liên tục làm phá vỡ bất cứ màng bảo vệ hoặc màng ôxit khỏi bề mặt kim loại. Sự ăn mòn xâm thực xảy ra khi chất lỏng có hoặc không có bọt khí. Khi chất lỏng có bọt khí, giống như ảnh hưởng của sự phun cát, sẽ phá vỡ những màng bảo vệ bám chặt, mức độ phá vỡ phụ thuộc vào tốc độ dòng chất lỏng. Khi bề mặt kim loại bị phá vỡ, nó sẽ bị tấn công bởi các phương tiện ăn mòn và sự xâm thực sẽ xảy ra bởi sự ma sát chất lỏng. Nếu lớp hấp phụ của ôxit kim loại không đủ phục hồi nhanh chóng, nguy hiểm nghiêm trọng sẽ xảy ra.
Các vật liệu kim loại khác nhau thì có khả năng chịu ăn mòn xâm thực khác nhau khi cùng điều kiện chất lỏng. Sự ăn mòn xâm thực xảy ra phổ biến nhất đối với các kim loại mềm như đồng và nhôm. Mặc dù tốc độ chảy của chất lỏng trong hệ thống làm lạnh tăng dần có thể làm tăng tính năng của hệ thống nhưng điều đó sẽ làm tăng sự ăn mòn xâm thực. Do đó, cần thiết phải xác định giới hạn cao nhất ảnh hưởng của sự tăng tốc độ dòng chảy với các tính năng nhiệt, cũng như có thể giảm thiểu tính năng cùng với sự giảm đáng kể thời gian sử dụng hệ thống trao đổi nhiệt và dàn lạnh.
Một số phương pháp hạn chế ăn mòn xâm thực là cải thiện dòng chảy trong ống, cho phép gấp khúc ở với độ cong lớn hơn, và giảm sự thay đổi bất ngờ dòng chảy. Các phương pháp khác bao gồm làm chậm tốc độ dòng chảy, giảm lượng ôxy hoà tan, thay đổi giá trị pH và thay đổi thành phần kim loại.
Sự ăn mòn xảy ra đối với dung dịch glycol/nước không có chất ức chế.
Dung dịch glycol/nước không có chất ức chế ăn mòn sẽ tạo thành 5 axit hữu cơ glycolic, glyoxylic, formic, cacbonic, và ôxalic trong môi trường ôxy không khí, nhiệt độ cao, và các kim loại hệ thống như đồng, nhôm. Đồng và nhôm có tác dụng như chất xúc tác trong dung dịch glycol/nước. Các axit hữu cơ này sẽ tấn công hoá học các kim loại đồng và nhôm trong khoảng 3 tuần dưới điều kiện cực (nhiệt độ 100 o C và có bọt khí ôxy) trong dung dịch glycol/nước tạo thành các hợp chất cơ kim trong dung dịch, mà có thể dẫn đến làm tắc ống, bơm và van...
Bảo vệ ăn mòn đối với dung dịch glycol/nước
Nói chung, có thể giảm thiểu sự ăn mòn khi kiểm soát độ pH và sử dụng các chất ức chế ăn mòn. Các chất ức chế hấp phụ và làm thụ động bề mặt kim loại và ngăn chặn sự ăn mòn. Yếu tố không kém quan trọng là duy trì ổn định dòng chảy dung dịch để tránh vùng ứ đọng bên trong hệ thống làm lạnh có thể gây ra ăn mòn.
Chất lượng nước cũng cần được xem xét khi ngăn chặn sự ăn mòn. Ảnh hưởng của sự ăn mòn trong nước tự nhiên khác nhau đáng kể phụ thuộc vào thành phần hoá học của nước. Ion clo gây ra ăn mòn và hạn chế việc sử dụng nước sinh hoạt hoặc tránh sử dụng nếu hàm lượng clo >100 ppm. Độ cứng của nước cũng cần phải xem xét vì có chứa các ion canxi và magiê sẽ tạo thành cặn trên bề mặt kim loại. Các loại nước cất, nước đã qua thiết bị trao đổi ion, nước được trung hoà, hoặc nước được xử lý bởi quá trình thẩm thấu ngược để tách các chất khoáng và muối có hại được yêu cầu sử dụng để tránh các ion clo và tạo cặn. Các chất ức chế ăn mòn thích hợp phải được sử dụng cùng với nước đã qua thiết bị trao đổi ion hoặc nước được trung hoà.
Tóm lại, mặc dù không thể ngăn chặn tất cả sự ăn mòn, nhưng có một số cách hiệu quả để giảm thiểu sự ăn mòn. Bằng cách lựa chọn các nguyên liệu chất lỏng phù hợp, định lượng hoá học dung dịch (độ pH và chất lượng nước) và lựa chọn các chất ức chế thích hợp, thì có thể giảm thiểu chi phí do ảnh hưởng ăn mòn và đảm bảo hệ thống làm việc hiệu quả trong thời gian dài.
Bảo vệ ăn mòn đối với dung dịch glycol/nước
Nói chung, có thể giảm thiểu sự ăn mòn khi kiểm soát độ pH và sử dụng các chất ức chế ăn mòn. Các chất ức chế hấp phụ và làm thụ động bề mặt kim loại và ngăn chặn sự ăn mòn. Yếu tố không kém quan trọng là duy trì ổn định dòng chảy dung dịch để tránh vùng ứ đọng bên trong hệ thống làm lạnh có thể gây ra ăn mòn.
Chất lượng nước cũng cần được xem xét khi ngăn chặn sự ăn mòn. Ảnh hưởng của sự ăn mòn trong nước tự nhiên khác nhau đáng kể phụ thuộc vào thành phần hoá học của nước. Ion clo gây ra ăn mòn và hạn chế việc sử dụng nước sinh hoạt hoặc tránh sử dụng nếu hàm lượng clo >100 ppm. Độ cứng của nước cũng cần phải xem xét vì có chứa các ion canxi và magiê sẽ tạo thành cặn trên bề mặt kim loại. Các loại nước cất, nước đã qua thiết bị trao đổi ion, nước được trung hoà, hoặc nước được xử lý bởi quá trình thẩm thấu ngược để tách các chất khoáng và muối có hại được yêu cầu sử dụng để tránh các ion clo và tạo cặn. Các chất ức chế ăn mòn thích hợp phải được sử dụng cùng với nước đã qua thiết bị trao đổi ion hoặc nước được trung hoà.
Tóm lại, mặc dù không thể ngăn chặn tất cả sự ăn mòn, nhưng có một số cách hiệu quả để giảm thiểu sự ăn mòn. Bằng cách lựa chọn các nguyên liệu chất lỏng phù hợp, định lượng hoá học dung dịch (độ pH và chất lượng nước) và lựa chọn các chất ức chế thích hợp, thì có thể giảm thiểu chi phí do ảnh hưởng ăn mòn và đảm bảo hệ thống làm việc hiệu quả trong thời gian dài.
Chúng tôi sẽ cập đầy đủ các bài viết về đề tài nghiên cứu Chất tải lạnh này liên tục, mời các bạn đoán xem ở các bài viết sau đây:
- Nghiên cứu sản xuất chất tải lạnh gốc glycol: Lời mở đầu
- Khái niệm về chất tải lạnh
- Yêu cầu đối với chất tải lạnh
- Các chất tải lạnh thông dụng
- Nguyên lý làm việc của hệ thống làm lạnh
- Các lĩnh vực công nghiệp sử dụng chất tải lạnh
- Nguyên liệu hóa chất sử dụng trong chất tải lạnh
