Леонид Самуилович Генель, канд. техн. наук, академик МАХ, генеральный директор 000 «Спектропласт»;
Галкин Михаил Леонидович,
коммерческий директор ООО «Спектропласт» г.Москва,
к.т.н., член-корреспондент МАХ
Эксплуатационная надежность
системы охлаждения предполагает
обеспечение для охлаждаемой про-
дующий 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 интервале температур от +2°С
до - 20°С 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°С до -20°С.
Глицерин и многоатомные спирты
из-за еще более высокой вязкости
применяются в качестве хладоносителей ограниченно.
В связи с повышенной опасностью
работы холодильного оборудования
вблизи 0°С мы считаем целесообразным
отдельно выделить
температурный интервал от +5°С
до -5°С. 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
-25°С.
В интервале температур от -20°С
до -40°С 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. 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). Следует отметить,
что предлагаемый в настоящее время
ассортимент этих хладоносителей позволяет их применять только
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
немного 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 попадает в атмосферу
цеха, стекая под давлением вниз
из системы, персонал незаметно
для себя подвергается 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, конвульсиям 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 человеку правильно ориентироваться
в ситуации. Вдыхание
СО2 при температуре -30°С может
привести 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 Ст.ЗО (по ГОСТ
2874-82) составляет 75,5 Вт/(м·К), а
теплопроводность одного из основных
компонентов накипно-коррозионных
отложений СаСОз равна
2,4 ВтУ(м·К).
Так, на отрезке трубы, эксплуатируемой
в рассольной системе
в 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.
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.
Проведение работ по мониторингу 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.
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
Аля 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».