گلیکول ها به عنوان ضد یخ و خنک کننده نقش کلیدی در عملکرد پایدار سیستم های سرمایشی و گرمایشی دارند. انتخاب صحیح نوع ضد یخ گلیکول، رعایت درصد اختلاط مناسب، افزودن ترکیبات مکمل و نگهداری منظم می تواند طول عمر سیستم را افزایش داده و از هزینه های تعمیرات جلوگیری کند.
ضد یخ گلیکول چیست؟
ضد یخ گلیکول نوعی سیال خنک کننده و محافظ حرارتی است که با ترکیب با آب، نقطه انجماد آن را کاهش و نقطه جوش آن را افزایش می دهد. این ویژگی ها باعث می شود سیستم های گرمایشی و سرمایشی در شرایط دمایی بسیار پایین یا بالا به درستی کار کنند، بدون آنکه یخ زدگی یا جوش آوردن سیال رخ دهد.
ترکیبات گلیکولی همچنین با افزودنی هایی مانند بازدارنده های خوردگی و پایدارکننده های pH، عمر مفید تجهیزات را افزایش می دهند. دو نوع رایج گلیکول در این کاربردها عبارتند از اتیلن گلیکول (EG) و پروپیلن گلیکول (PG) که هر یک با توجه به ویژگی های فیزیکی، سمیت و قیمت، در شرایط خاص مورد استفاده قرار می گیرند.
مزایا و معایب ضد یخ گلیکول
استفاده از ضد یخ گلیکول در سیستمهای سرمایشی، روشی مؤثر برای جلوگیری از یخ‌زدگی آب در دماهای پایین است. این ترکیب با کاهش نقطه انجماد سیال، از ترکیدگی لوله‌ها، آسیب به پمپ‌ها و افت عملکرد سیستم جلوگیری می‌کند. ضد یخ گلیکول با افزودنی‌های مناسب، خاصیت ضد خوردگی مؤثری دارد که از زنگ‌زدگی و تخریب اجزای فلزی سیستم جلوگیری کرده و عمر مفید انواع مبدل حرارتی را افزایش می‌دهد. همچنین، گلیکول‌ها در ترکیب با آب، امکان تنظیم دقیق نقطه انجماد را فراهم می‌کنند و عملکرد پایدار در دماهای پایین را تضمین می‌نمایند.
در کنار مزایا، استفاده از ضد یخ گلیکول معایبی نیز دارد. کاهش ضریب انتقال حرارت نسبت به آب، افزایش ویسکوزیته و کاهش دبی سیال از جمله این معایب هستند. همچنین، برای حفظ عملکرد بهینه، سیستم نیازمند پایش و نگهداری منظم است و هزینه استفاده از ضد یخ گلیکول نسبت به آب خالص بیشتر است. با این حال، ایمنی بالاتر برخی انواع مانند پروپیلن گلیکول، آن را برای کاربردهای حساس مانند صنایع غذایی و دارویی مناسب ساخته است. در مجموع، ضد یخ گلیکول انتخابی کاربردی برای سیستمهای سرمایشی در مناطق سردسیر محسوب میشود.
انواع ضد یخ گلیکول
این مواد شیمیایی پرکاربرد در سیستم های سرمایشی به دو مدل پلی اتیلنی و پلی پروپیلن تقسیم میشود که در ادامه به معرفی آنها پرداخته و در انتها آنها را با هم مقایسه کرده ایم.
ضد یخ اتیلن گلیکول
اتیلن گلیکول مایعی بی رنگ، بی بو، چسبناک و با طعم شیرین است که خاصیت ضدیخ قوی دارد اما سمی می باشد. این ماده با کاهش قابل توجه نقطه انجماد آب و برخورداری از رسانایی حرارتی مناسب، در حفظ کارایی سیستم های سرمایشی مؤثر است. از مزایای آن می توان به بازدهی حرارتی بالا، توانایی پایین آوردن نقطه انجماد تا سطوح بسیار پایین و قیمت کمتر نسبت به پروپیلن گلیکول اشاره کرد.
در مقابل، سمیت بالا برای انسان و حیوانات و نیز خطرات زیست محیطی در صورت نشت، از معایب اصلی آن به شمار می آید. اتیلن گلیکول بیشتر در سیستم هایی به کار می رود که تماس مستقیم با انسان وجود ندارد، مانند چیلرهای صنعتی، نیروگاه ها و برج خنک کننده مدار بسته.
ضد یخ پروپیلن گلیکول
پروپیلن گلیکول ماده ای بی بو، بی رنگ و با ویسکوزیته بالاتر نسبت به اتیلن گلیکول است که برخلاف آن، سمی نیست و همین ویژگی باعث شده در کاربردهای حساس مانند صنایع غذایی و دارویی مورد استفاده قرار گیرد. از مهم ترین مزایای این ماده می توان به غیرسمی بودن و ایمنی بالا برای انسان و محیط زیست اشاره کرد. به دلیل همین ایمنی، پروپیلن گلیکول گزینه ای مناسب برای سیستم هایی است که امکان تماس مستقیم با مواد غذایی یا فضای تنفسی وجود دارد.
در مقابل، نقطه انجماد آن بالاتر از اتیلن گلیکول است، قیمت بالاتری دارد و نسبت به آن راندمان حرارتی کمتری از خود نشان می دهد.
تفاوت ضد یخ پلی اتیلن و پلی پروپیلن گلیکول
پلی پروپیلن گلیکول به دلیل غیرسمی بودن، در بسیاری از کاربردهای حساس مانند سردخانه های غذایی یا تهویه مطبوع بیمارستانی ترجیح داده می شود. در مقابل، اتیلن گلیکول با وجود بازده بالاتر، تنها در سیستم های بسته و غیرحساس توصیه می شود.
خواص فیزیکی و شیمیایی انواع ضد یخ گلیکول
گلیکول ها زمانی که با آب ترکیب می شوند، نقطه انجماد محلول را به شکل قابل توجهی کاهش می دهند؛ به طور مثال، محلول ۵۰ درصد اتیلن گلیکول نقطه انجمادی در حدود منفی 37 درجه سانتی گراد دارد. این ویژگی آن ها را برای استفاده در محیط های سرد بسیار مناسب می سازد. از سوی دیگر، گلیکول ها دارای ویسکوزیته ای بالاتر از آب هستند، به ویژه در دماهای پایین، که این موضوع می تواند جریان سیال را کند کرده و فشار بیشتری به پمپ ها وارد کند.
همچنین، هدایت حرارتی محلول های گلیکول کمتر از آب خالص است، اما این مقدار برای انتقال مؤثر گرما در سیستم های سرمایشی کافی بوده و عملکرد کلی سیستم را حفظ می کند. لازم به ذکر است که گلیکول خالص به تنهایی می تواند خاصیت خورنده داشته باشد، اما با اضافه کردن بازدارنده های خوردگی مناسب، می توان از آسیب به فلزاتی مانند آلومینیوم، فولاد و مس جلوگیری کرد و از پوسیدگی قطعات سیستم ممانعت به عمل آورد.
عملکرد ضد یخ گلیکول در سیستم های سرمایشی
افزودن گلیکول به آب باعث کاهش نقطه انجماد محلول می شود و از یخ زدگی در دماهای بسیار پایین جلوگیری می کند، به طوری که سیستم می تواند حتی در شرایط سخت و سرد آب وهوایی به درستی عمل کند. این ویژگی به ویژه برای محافظت از لوله ها، پمپ ها و مبدل های حرارتی حیاتی است، چرا که یخ زدگی در این بخش ها می تواند منجر به ترکیدگی، نشتی یا از کار افتادن تجهیزات شود.
محلول گلیکول با حفظ سیالیت و جریان مداوم در سیستم، از توقف عملکرد در دماهای زیر صفر جلوگیری کرده و پایداری کارکرد را تضمین می کند. هرچند گلیکول نسبت به آب ضریب انتقال حرارت پایین تری دارد، اما با انتخاب غلظت مناسب و طراحی اصولی سیستم، این کاهش راندمان قابل جبران بوده و انتقال مؤثر حرارت همچنان حفظ می شود.
موارد کاربرد گلیکول در سیستم های سرمایشی
گلیکول در سیستم های سرمایشی مختلف کاربرد گسترده ای دارد. در چیلر تراکمی و جذبی، برای حفظ دمای مناسب در مدارهای بسته و جلوگیری از یخ زدگی یا افزایش دمای بیش از حد، از محلول های گلیکولی استفاده می شود. در سیستم های تهویه مطبوع صنعتی و تجاری (HVAC)، به ویژه در ساختمان های بزرگ و دفاتر اداری، گلیکول نقش مهمی در پایداری عملکرد سرمایشی ایفا می کند.
در سیستم های خنک کننده فرآیندی مانند کارخانه های غذایی و دارویی، معمولاً از پروپیلن گلیکول استفاده می شود، چرا که ایمنی بالاتری دارد و در تماس های غیرمستقیم با مواد حساس مشکلی ایجاد نمی کند. همچنین در سرمایش دیتاسنترها و تجهیزات الکترونیکی، به منظور جلوگیری از افزایش دما و حفظ عملکرد پایدار تجهیزات حساس، محلول های گلیکولی یکی از گزینه های مطمئن و مؤثر به شمار می روند.
کاربرد ضد یخ در یخساز صنعتی
کاربرد ضد یخ در دستگاه های یخ ساز با سایر تجهیزات سرمایشی تفاوت هایی دارد، زیرا در اینجا هدف نهایی تولید یخ است و استفاده نادرست از ضدیخ می تواند به آلودگی محصول منجر شود. با این حال، در شرایط خاصی، ضد یخ نقش مهمی در حفاظت از اجزای یخ ساز ایفا می کند. در یخ سازهایی که دارای مدار سرمایش غیرمستقیم هستند (مانند یخ سازهای صنعتی)، مایع خنک کننده (آب+گلیکول) در یک مدار بسته حرکت می کند و به طور غیرمستقیم باعث سرد شدن قالب یخ یا محیط ساخت یخ می شود.
کاربرد ضد یخ در این حالت شامل جلوگیری از یخ زدگی در خطوط انتقال مایع سرمایشی، افزایش ظرفیت انتقال حرارت در دمای زیر صفر، جلوگیری از تشکیل یخ در کویل ها یا صفحات سرمایشی و محافظت از مبدل حرارتی و پمپ ها در هوای سرد است.
کاربرد ضد یخ در آیس بانک
در سیستم آیس بانک، هدف ذخیره سازی انرژی سرمایشی از طریق تشکیل و ذوب یخ در یک مخزن حاوی آب است. در بسیاری از این سیستم ها، یک سیال واسطه مانند محلول گلیکول (ضد یخ) در مدار تبادل حرارت گردش می کند تا دمای آب را به زیر صفر برساند و یخ تشکیل دهد. ضدیخ در این حالت نقش انتقال دهنده مؤثر سرما را ایفا می کند و به دلیل نقطه انجماد پایین تر، اجازه می دهد که سیستم بدون خطر یخ زدگی تجهیزات سرمایشی در دماهای منفی کار کند.
همچنین ضد یخ از یخ زدگی لوله ها، کویل ها و مبدل های حرارتی جلوگیری کرده و مانع از آسیب هایی مانند ترکیدگی یا انسداد می شود. استفاده از ضد یخ در مدار بسته آیس بانک همچنین موجب افزایش راندمان انتقال حرارت در فاز شارژ (یخ سازی) و دشارژ (ذوب یخ) می شود.
غلظت مناسب گلیکول در سیستمهای برودتی
غلظت گلیکول در محلول های ضدیخ باید با دقت و بر اساس کمترین دمای محیطی که سیستم قرار است در آن کار کند تعیین شود تا از یخ زدگی جلوگیری شود و در عین حال خواص فیزیکی و حرارتی محلول بهینه باقی بماند. به طور معمول، برای دمای حدود منفی 20 درجه سانتی گراد، غلظت 30% گلیکول در آب کافی است تا نقطه انجماد محلول به اندازه ای کاهش یابد که یخ زدگی رخ ندهد.
اما هرچه دمای محیط پایین تر رود، درصد گلیکول باید به نسبت افزایش یابد؛ زیرا کاهش نقطه انجماد محلول به طور خطی با افزایش غلظت گلیکول ارتباط ندارد و برای رسیدن به دماهای بسیار پایین، غلظت بالاتری لازم است. جدول غلظت ها و دمای انجماد متناظر در جدول زیر ارائه شده است:
| درصد گلیکول | نقطه انجماد (°C) |
| 20% | -7 |
| 30% | -15 |
| 40% | -23 |
| 50% | -37 |
اثر غلظت بالا یا پایین ضد یخ گلیکول بر عملکرد سیستمهای سرمایشی
غلظت گلیکول در محلول های ضد یخ نقش بسیار مهمی در عملکرد بهینه سیستم های سرمایشی و گرمایشی ایفا می کند. زمانی که غلظت گلیکول بسیار بالا باشد، ویسکوزیته یا غلظت سیال افزایش قابل توجهی می یابد که این امر باعث می شود جریان سیال در لوله ها با مقاومت بیشتری مواجه شود. در نتیجه، پمپ ها برای جابجایی این سیال غلیظ باید نیروی بیشتری صرف کنند که نه تنها باعث افزایش مصرف انرژی می شود بلکه فشار کاری سیستم را نیز بالا می برد.
این موضوع می تواند به فرسودگی زودرس پمپ ها و سایر تجهیزات مکانیکی منجر شود و هزینه های نگهداری و تعمیرات را افزایش دهد. همچنین افزایش ویسکوزیته باعث کاهش نرخ انتقال حرارت سیال می شود زیرا حرکت مولکول ها کندتر می شود و این امر کاهش راندمان کلی سیستم سرمایشی را به دنبال دارد.
افزودنی های محلول ضد یخ گلیکول
ترکیباتی مانند نیتریت ها، فسفات ها و بورات ها برای محافظت از فلزات در برابر زنگ زدگی به محلول اضافه می شوند. مواد ضد کف برای جلوگیری از تشکیل حباب های هوا که می توانند مانع انتقال حرارت شوند، استفاده می شوند. پایدارکننده های pH به منظور حفظ پایداری شیمیایی محلول و جلوگیری از اسیدی شدن آن به کار می روند. همچنین رنگ دهنده ها برای شناسایی نوع گلیکول به محلول افزوده می شوند؛ معمولاً اتیلن گلیکول با رنگ سبز یا زرد و پروپیلن گلیکول با رنگ صورتی یا آبی عرضه می شود تا از اشتباه در پر کردن سیستم جلوگیری شود.
راهنمای انتخاب نوع ضد یخ
برای سیستم هایی که ممکن است نشت یا تماس با مواد غذایی داشته باشند، پروپیلن گلیکول توصیه می شود زیرا ایمن تر و غیرسمی است، در حالی که اتیلن گلیکول باید در سیستم های بسته و ایزوله استفاده شود تا خطرات آن کنترل شود. همچنین برخی گلیکول ها ممکن است با متریال هایی مانند EPDM یا پلیمرهای خاص ناسازگار باشند و باعث خوردگی یا تجزیه این مواد شوند، بنابراین باید در انتخاب نوع گلیکول به سازگاری با متریال سیستم توجه ویژه ای داشت.
علاوه بر این، به ویژه در صنایع غذایی، دارویی و پزشکی، استفاده از گلیکول هایی که دارای گواهی های استانداردهای صنعتی مانند FDA یا NSF هستند، اهمیت زیادی دارد تا ایمنی و کیفیت محصول نهایی تضمین شود.
برای سیستم های صنعتی بسته، اتیلن گلیکول بهترین گزینه است. در سیستم های حساس غذایی یا دارویی، پروپیلن گلیکول به دلیل ایمنی بالا توصیه می شود. در مناطق بسیار سرد، استفاده از غلظت 40 تا 50% گلیکول مناسب است تا از یخ زدگی جلوگیری شود. همچنین در کاربردهای عمومی که ریسک زیست محیطی پایین است، اتیلن گلیکول به دلیل مقرون به صرفه بودن، گزینه مناسبی محسوب می شود.
بررسی منظم غلظت و pH، استفاده از رفرکتومتر برای کنترل دقیق، جلوگیری از اختلاط اتیلن گلیکول و پروپیلن گلیکول و تعویض محلول های مستعمل بر اساس جدول زمانی مشخص از نکات مهم برای بهره برداری بهینه و افزایش عمر سیستم های سرمایشی هستند.
روش های اندازه گیری غلظت گلیکول شامل استفاده از رفرکتومتر است که بر اساس ضریب شکست نور عمل می کند و هیدرومتر که چگالی محلول را می سنجد. معمولاً محلول گلیکول هر 2 تا 5 سال باید بسته به شرایط کارکرد، دما و نوع افزودنی ها بررسی، احیا یا تعویض شود. نشانه های خرابی محلول گلیکول شامل تغییر رنگ غیرمعمول، کف کردن زیاد، افت pH یا قلیائیت و کاهش عملکرد ضد خوردگی می باشد.