Факторы, влияющие на эксплуатационную надежность систем охлаждения с промежуточным хладоносителем

Консультация специалиста
по телефону: (495) 966-08-09
самые распространенные, надежные и нетоксичные хладоносители промышленного и бытового применения
необслуживаемые
серия ХНТ
энергоэффективные
серия ХНТ-НВ
сверхнизковязкие
серия ХНТ-СНВ
 

Факторы, влияющие на эксплуатационную надежность систем охлаждения с промежуточным хладоносителем

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».





 

Copyright 2005-2018. ООО "Спектропласт". Все права защищены.