ООО "Холодильное дело"
В РОССИИ ХОЛОД ЗА НАС!
 

Главная
Новости
Издания
Публикации
Поиск
Литература
П.О.
Компакт-диск
Подписка
Реклама
Реквизиты
Карта сайта

Copyright © 2001-2017,
ИД «Холодильное дело»

Рейтинг@Mail.ru
Рейтинг@Mail.ru

"Факторы, влияющие на эксплуатационную надежность систем охлаждения с промежуточным хладоносителем"

Статья из журнала "ХБ" № 5/2007 г.

 

Эксплуатационная надежность системы охлаждения предполагает обеспечение для охлаждаемой продукции заданных температурных условий при минимальном отклонении температурного поля от установленных значений на протяжении длительного периода эксплуатации. При этом возникновение техногенных и аварийных ситуаций должно быть маловероятным, а их негативные последствия - минимальными. То есть, речь идет и о безопасности системы.

Признано, что повысить эксплуатационную безопасность некоторых холодильных систем можно снижением аммиакоемкости, при этом применяя холодильные системы со вторичным контуром и промежуточным хладоносителем. Однако использование пожаро- и взрывоопасного или токсичного и ядовитого хладоносителя вряд ли может служить хорошей альтернативой аммиакоемким производствам.

Как известно, наиболее безопасным и эффективным хладоносителем является вода. Но диапазон ее применения ограничен положительным интервалом температур (по Цельсию). Связанные с водой проблемы коррозии и накипеобразования сегодня успешно решаются введением ингибиторов коррозии и добавок для растворения накипи. В частности, широкий спектр ингибиторов, решающих одновременно проблемы и коррозии, и накипеобразования для воды, производится нами под торговой маркой СП-В.

В ряду этих ингибиторов в интервале температур от +2°C до -20°C доминируют одно-, двух-, трех- и многоатомные спирты. Одноатомные спирты этанол и метанол пожаровзрывоопасны, а метанол еще и ядовит. Из двухатомных спиртов нашли применение этиленгликоль (МЭГ) и пропиленгликоль. На основе этиленгликоля выпускаются антифризы для двигателей внутреннего сгорания, в том числе, тосолы. С их использованием эксплуатируется холодильное оборудование ряда спортивных объектов. Однако этот продукт токсичен. При протечках отравляются грунтовые воды и водоемы. Так, в августе 2003 г. штормовой волной смыло с борта корабля 30-тонный танк-контейнер с этиленгликолем, который прибило к одному из Командорских островов. Во время шторма емкость помяло о камни и почти 20 тонн этиленгликоля вылилось в море. Сразу после этого в единственном в мире морском биосферном заповеднике началась массовая гибель птиц и морских котиков. По факту происшествия прокуратурой возбуждено уголовное дело. Предъявлены иски к компании «Дюпон» и к фирме, отвечающей за перевозку контейнера.

Хладоносители на основе МЭГ по токсикологической оценке являются одними из самых опасных, и ЕС собирается вводить запрет на применение МЭГ на пищевых производствах. В связи со вступлением России в ВТО, компаниям, использующим сегодня этиленгликоль, вероятно, придется проводить модернизацию оборудования.

Хладоносители на основе пропиленгликоля являются наиболее безопасными. Концентрированный пропиленгликоль является пищевой добавкой, со значением LD50 более 20 000 мг/кг, однако из-за высокой вязкости оптимальный диапазон температур при его эксплуатации составляет от +2°C до -20°C. Глицерин и многоатомные спирты из-за еще более высокой вязкости применяются в качестве хладоносителей ограниченно.

В связи с повышенной опасностью работы холодильного оборудования вблизи 0ºC мы считаем целесообразным отдельно выделить температурный интервал от +5°C до -5°C. Для этого температурного интервала нами предложен новый экономичный хладоноситель торговой марки ТЭЖ на основе ацетата калия, разработанный как для закрытых, так и для (что следует особо отметить) открытых холодильных систем. ТЭЖ может работать в интервале температур от -5°С до +102°С и не разрушает трубопроводы при кратковременных замерзаниях до температуры -25ºС.

В интервале температур от -20°C до -40°C широко применяются солевые хладоносители – на основе органических и неорганических солей. Последние распространены из-за сочетания их доступности, дешевизны и хороших теплофизических характеристик, однако содержащиеся, чаще всего, в них хлориды обладают коррозионной активностью и склонностью к накипеобразованию.

Органические соли имеют относительно малый промышленный опыт эксплуатации (около 15 лет – ацетат калия и около 7 лет – формиат калия). Некоторые особенности и проблемы их эксплуатации нами уже рассматривались [1], [2]. Было отмечено, что эти хладоносители нетерпимы к изменению состава из-за накопления продуктов коррозии или охлаждаемых продуктов (пример – коррозионное разрушение пяти испарителей на Аксайском пивзаводе). Предлагаемый в настоящее время ассортимент этих хладоносителей позволяет их применять только, что также следует отметить, для закрытых холодильных систем, и они недешевы. Кроме того, в России отсутствует стабильное производство сырья для их изготовления. В случае необходимости оперативной дозаправки это может привести к серьезным осложнениям для предприятия. Такой случай имел место, например, на катке в Нижнем Новгороде, когда хладоноситель из Финляндии, требующийся для срочной дозаправки, был задержан таможней на длительный срок, что сорвало сроки проведения запланированных соревнований.

Одним из примеров применения ацетатных хладоносителей в Москве является 18-й хладокомбинат. За четыре месяца. эксплуатации содержание ионов металлов в хладоносителе составило вроде бы удовлетворительное значение 0,17 мг/л. Однако, имея высокие значения рН -11 в одном контуре и 11,7 – в другом, такой хладоноситель вызывает локальные виды коррозии (язвенная, щелевая, питинговая и др.), опасные тем, что действуют на малой площади и способны за короткое время перфорировать металл.

Применение хладоносителей с высокими рН (10 и более) требует повышенного внимания к процессам наводораживания и усталостным явлениям в металлах.

В восстановительной среде при высоких значениях рН и давления наблюдаются два вида повреждения углеродистых сталей – водородная хрупкость и водородная коррозия. А в случае присутствия аммиака (например, в каскадной схеме) при высоком давлении возникает опасность азотирования углеродистых сталей. Внешне охрупчивание металла никак не проявляется, но это явление можно рассматривать как мину замедленного действия (от 3 до 20 лет) для некоторых марок углеродистых сталей.

В мировой практике последние два года для холодильной промышленности начали использовать каскадные системы на NH3 и СО2. О результатах первых опытов эксплуатации таких объектов в России нам пока мало что известно, слишком мало прошло времени. Однако, можно попытаться оценить степень опасности СО2 и спрогнозировать вероятные последствия возможных аварийных случаев на предприятиях.

Во первых, безусловно, высокое избыточное давление (около 30 Ати) в первичном контуре само по себе тянет за собой «шлейф» проблем. Помня о человеческом факторе и о том, везде ли культура эксплуатации оборудования находится на должном уровне (качество и регулярность ТО, поверка приборов контроля, выбор уплотнительных материалов, качество сварки и пайки и т.д.), можно предположить, что разгерметизация такой системы на некоторых предприятиях – лишь дело времени.

И когда СО2 попадет в атмосферу цеха, стекая под давлением вниз из системы, персонал незаметно для себя подвергнется воздействию диоксида углерода. Из таблицы видно, что человек, вдыхая в течение минуты воздух, содержащий 10-15% диоксида углерода, теряет сознание, а 17-30% СО2 в атмосфере приводят к потере управления организмом, конвульсии и смерти. Для сравнения – концентрация СО2 в свежем воздухе составляет 0,04 об. %, а в выдыхаемом человеком воздухе 4,5 об. %. Будучи тяжелее кислорода, он опускается вниз, при этом, в отличие от аммиака, не имеет вкуса, цвета и запаха. Более того, наркотический эффект действия на человека диоксида углерода может помешать ему правильно ориентироваться в ситуации. Вдыхание СО2 при температуре -30ºС приводит к ожогу органов дыхания.

Наблюдаемые воздействия на организм человека различных
концентраций диоксида углерода в воздухе*
 
Концентрация углекислого газа,
об %.
Время воздействия Наблюдаемое воздействие
17 - 30 В пределах 1
минуты
Потеря контроля,
обморок, конвульсии, кома, смерть
> 10 - 15 От одной до нескольких минут Головокружение, сонливость, сильные судороги мышц,
обморок
7 - 10 От 1,5 минут
до 1 часа
Головная боль, учащенное сердцебиение и дыхание, одышка, головокружение, обморок или полуобморок
6 1 - 2 минуты

15 минут

Несколько часов
Нарушение слуха и зрения

Головная боль, одышка

Дрожь или озноб
4 - 5 Несколько минут Головная боль, головокружение, повышение кровяного давления, сильная одышка в покое
3 1 час Умеренная головная боль, потение и одышка
2 Несколько часов Головная боль, одышка при слабой нагрузке

*По материалам U.S. Environmental Protection Agency

Необходимо помнить также и про страховую стоимость системы, работающей под давлением, на которую непосредственно влияют вероятность возникновения и степень тяжести чрезвычайных случаев, что также не в пользу СО2.

Поэтому от выбора типа хладоносителя и хладагента зависит эксплуатационная безопасность, а, следовательно, надежность системы охлаждения.

Об утилизации хладоносителя и связанных с его использованием экологических проблемах задумываются сегодня редко, однако стоимость утилизации, например, этиленгликолевых хладоносителей составляет примерно половину цены нового хладоносителя.

Вторая составляющая эксплуатационной надежности системы охлаждения – это возможность оборудования с минимальным разбросом температуры по теплообменной поверхности и стабильно во времени обеспечивать заданные температурные режимы для потребителей холода в процессе эксплуатации.

Испарение, деструкция и комплексообразование приводят к изменению содержания в хладоносителе основного компонента, а следовательно, изменению теплофизических свойств хладоносителя и температурных режимов системы. Коррозионная активность хладоносителя и наличие в нем солей жесткости приводят к образованию накипно-коррозионных отложений на стенках теплообменного оборудования. Для сравнения: теплопроводность (ГОСТ 2874-82) Ст.30 составляет 75,5 Вт/(м•К), а теплопроводность одного из основных компонентов накипно-коррозионных отложений СаСО3 равна 2,4 Вт/(м•К).

Так, на отрезке трубы, эксплуатируемой в рассольной системев течение четырех лет (см. фото), ясно видны накипно-коррозионные отложения, которые способны существенно ухудшить эффективность теплообмена. Однако этот значительный по величине эффект, также как и эффект снижения со временем пропускной способности системы, часто не учитываются проектирующими организациями. В конечном счете, учитываются энергозатраты, эксплуатационные расходы, себестоимость и ухудшается качество конечной продукции.

Отрезок трубы с накипью

Важное значение для безопасности эксплуатации хладоносителя имеет возможность поддержания и, при необходимости, корректировки и восстановления свойств хладоносителя, что особенно актуально для крупных систем охлаждения. Третья составляющая эксплуатационной надежности – это регулярное проведение в процессе эксплуатации мониторинга состояния хладоносителя, от которого зависит срок службы вторичного контура и поддержание его теплообменных характеристик. Результаты мониторинга (контролируемые параметры и методы контроля) приведены на схеме.

Проведение работ по мониторингу хладоносителя

Поэтому столь важен выбор предприятия-разработчика хладоносителя, способного в силу своего научного потенциала и практического опыта оперативно осуществлять мониторинг. Дело в том, что полный состав хладоносителя является ноу-хау разработчика и только он, при мониторинге, в части коррекции состава, сможет помочь, а не навредить работоспособности хладоносителя.

Например, на ЗАО МПБК «Очаково» в г. Москва хладоноситель вторичного контура в системе емкостью более 200 м3 эксплуатируется с 1997 г. Благодаря мониторингу была обнаружена протечка охлаждаемого продукта в хладоноситель. Специалисты ООО «Спектропласт» разработали и произвели корректирующие составы, введение которых в хладоноситель нормализовала его свойства. Добавка двух тонн корректирующего состава (около 1 масс. %) позволила избежать принятой в таких случаях в Европе полной замены хладоносителя объемом более двухсот тонн новым. На сегодняшний день теплофизические свойства и коррозионная активность хладоносителя находятся в пределах требований НТД [3], [4].

В заключение дополнительно следует обратить внимание, что при выборе традиционных хладоносителей для вторичного контура холодильного оборудования нельзя забывать об их многолетнем положительном опыте эксплуатации, а при применении новых «модных» типов хладоносителей необходимо учитывать не только их собственные теплофизические свойства, но и вероятные последствия их длительного воздействия на материалы, примененные в оборудовании.

Таким образом, повышение эксплуатационной надежности систем охлаждения с промежуточным хладоносителем достигается комплексным подходом, включающим следующее.

  1. Выбор оптимальных типов хладоносителей и хладагентов, представляющих минимальную угрозу для живых организмов, имущества и экологии, в том числе при аварийной разгерметизации системы и вероятном попадании хладоносителя на обслуживающий персонал, в охлаждаемую продукцию, особенно в пищевую, в атмосферу, в почву и водоемы.
  2. Выбор конструкционных металлических и уплотнительных материалов холодильного оборудования, учитывающий не только достаточные для решаемых задач прочностные и теплофизические характеристики, но и долговременную устойчивость материалов в процессе эксплуатации к химическим воздействиям, отложению накипи и коррозионных слоев, а также к наводораживанию и усталостным явлениям.
  3. Проведение мониторинга состояния вторичного контура холодильного оборудования.

Список литературы:

  1. Генель Л.С., Галкин М.Л. Выбор промежуточных хладоносителей. - Холодильный бизнес, 2004, №12, с. 31-35.; 2005, №1, с.17-20.
  2. Генель Л.С., Галкин М.Л. Состояние и тенденции развития европейского рынка хладоносителей. - Холодильный бизнес, 2006, №12, с. 16-19.
  3. ТУ 2422-004-11490846-02 «Хладоносители на основе водного раствора пропиленгликоля».
  4. ГОСТ 28084-89 "Жидкости охлаждающие низкозамерзающие".

###

 

Леонид Самуилович Генель, канд. техн. наук, академик МАХ, генеральный директор ООО «Спектропласт»

Михаил Леонидович Галкин, канд. техн. наук, академик МАХ, коммерческий директор ООО «Спектропласт»

«КРИОГЕН-ЭКСПО. Промышленные газы 2017»

Кондиционеры, тепловые насосы, системы вентиляции