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
 

Обзор практики эксплуатации систем холодоснабжения с промежуточными хладоносителями: динамика состояния, принимаемые решения по корректировке составов, риски при эксплуатации, эксплуатационные затраты

Галкин М. Л., канд. тех. наук, зам. ген. директора ООО «Спектропласт»

При длительной эксплуатации холодильного оборудования возрастает вероятность реализации рисков, приводящих к ускоренному износу оборудования, остановке производства, несоблюдению технологических режимов и, как следствие, ухудшению качества продукции, увеличению затрат на обслуживание оборудования, повышение энергопотребления и удорожанию конечного продукта.

Факторы, свидетельствующие о возрастании рисков сбоя в работе холодильной системы

К факторам риска, в первую очередь, относятся:
1. Изменение состава и свойств хладоносителя. Неудовлетворительное состояние хладоносителей чревато следующими негативными последствиями (рисками) для системы холодообеспечения предприятия:
- аварийными ситуациями. Они связаны с ускоренным износом и сокращением ресурса работы вторичного контура холодильного оборудования. Например, на ряде детских юношеско-спортивных школ в г. Москве из-за ускоренных коррозионных процессов произошло сокращение ресурса работы холодильного оборудования с 10 лет до 1 года;
- частичной разгерметизацией теплообменного оборудования. Сопровождается протечками или хладоносителя или охлаждаемой продукции. Типичное явление, зафиксированное на более чем 20% обследованных нами предприятий;
- затруднениями с обеспечением заданного температурного режима охлаждения продукции. Это вызвано образованием накипно-коррозионных слоев на теплообменных поверхностях оборудования, а также ухудшением теплофизических характеристик самого хладоносителя.
2. Увеличение удельных энергозатрат на выработку 1 градуса холода. Информирует о степени изменения состояния хладоносителя и о наличии слоев накипно-коррозионных отложений на внутренней поверхности вторичного контура.
3. Неспособность системы поддерживать заданную температуру на охлаждаемом объекте, изменение чувствительности и управляемости системы холодообеспечения. На такое поведение системы холодообеспечения может повлиять завоздушливание системы, повышенное пенообразование хладоносителя, присутствие биообрастаний, изменение содержания основного вещества в хладоносителе и др.
Наличие хотя бы одного из вышеперечисленных признаков является основанием для проведения контроля свойств хладоносителя и состояния вторичного контура [1,2].

Основные свойства хладоносителей и методики их оценки

Оценку изменения свойств хладоносителя целесообразно первоначально проводить по месту эксплуатации хладоносителя с периодичностью не реже одного раза в квартал. Для этого производят отбор пробы хладоносителя непосредственно из вторичного контура. Свойства отобранного образца сравнивают со свойствами контрольного (свежего) образца хладоносителя. Порядок оценки изменения состояния хладоносителя и анализа причин его вызвавших представлены в Таблице 1.
Если оценка состояния вторичного контура и свойств хладоносителя показала, что значения некоторых из контролируемых параметров значительно отклоняются от штатных (паспортных) величин, то высока вероятность сбоев в работе оборудования и целесообразно обратиться за помощью к специалистам. Специализированная организация, часто, это разработчик хладоносителя (фирма-разработчик хладоносителя, как правило, не раскрывает состав и технологические ноу-хау своих хладоносителей), может провести комплекс работ с привлечением современных методик исследований по определению состава и свойств проб хладоносителя, отобранных из вторичного контура. На основании результатов этих исследований выявляются причины отклонений параметров работы холодильной системы от заданных, разрабатываются рекомендации по устранению этих причин и восстановлению работоспособности хладоносителя и вторичного контура.

БИООБРАСТАНИЕ КАК ФАКТОР СНИЖЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛООБМЕНА

Изменение гидродинамических параметров теплообменника при наличии микроорганизмов.
Согласно [3] многие виды микроорганизмов образуют на поверхности труб плотные слизистые скопления – продукты жизнедеятельности, обладающие высокой механической прочностью и не смываемые потоком жидкости. Гидродинамические условия в теплообменнике изменяются за счёт уменьшения пропускного сечения труб с ростом толщины слоя биообрастаний.

Рост вязкости хладоносителя также связан с накоплением в нем как самих микроорганизмов, так и продуктов метаболизма микроорганизмов (ПММ). Согласно [3,4] среди многих видов микроорганизмов, поражающих системы водоснабжения и теплообмена, бактерии родов Pseudomonas и грибы рода Aspergillus являются наиболее быстрорастущими. При этом продукты их жизнедеятельности – гетерополисахариды и органические кислоты – способны увеличивать вязкость жидкости в несколько раз [3,5].
Динамическая вязкость хладоносителя ? при наличии в нем ПММ – величина, зависящая, в том числе, от условий течения хладоносителя по трубе. В результате проведённых опытов на трубах разного диаметра получено уравнение зависимости эмпирической динамической вязкости хладоносителя от концентрации в хладоносителе микроорганизмов и от количества продуктов их метаболизма:
Динамическая вязкость хладоносителя ?
где: ? – эмпирическая динамическая вязкость хладоносителя с микроорганизмами; ?0 – динамическая вязкость хладоносителя без микроорганизмов и без ПММ; Ci – концентрация микроорганизмов определенного вида; Аi – поправочный коэффициент, измеренный нами в процессе опытов для некоторых видов микроорганизмов и ПММ.

Таблица 1. Контроль состояния хладоносителя и способы восстановления его свойств.
Контроль состояния хладоносителя и способы восстановления его свойств
Увеличить

* Примечание: допустимые значения отклонений от нормы приводятся для пропиленгликолевого хладоносителя марки ХНТ-40 (ТУ 2422-015-11490846-08).

Повышение вязкости хладоносителя даже при отсутствии слоя биообрастаний на поверхности труб оказывает отрицательное влияние на процессы в теплообменнике, в частности на гидравлическое сопротивление. Результаты вычислений с использованием формул Вейсбаха-Дарси и Альтшуля [4,5] и формулы (1) нами приведены на рис. 1. На нем показана зависимость гидравлического сопротивления h участка трубы при разных режимах течения от вязкости хладоносителя в относительных единицах.
* Примечание: Величины вязкости и гидравлического сопротивления, а также других величин при дальнейших расчетах, даны в относительных единицах. За 1 отн. ед. во всех расчетах принят показатель для случая «чистого» хладоносителя и контура без биообрастаний. Отображение зависимостей в относительных единицах удобно и более наглядно при оценке влияния того или иного фактора на показатели процессов во вторичном контуре охлаждения (ВКО).
Из данных на рис.1 видно, что наиболее сильное влияние на гидравлическое сопротивление потока оказывает повышение вязкости при ламинарном режиме течения жидкости.
При биообрастании происходит уменьшение пропускного сечения, а также увеличение вязкости хладоносителя. Как видно из представленных на рис.2 данных, значение h растёт при увеличении вязкости хладоносителя и толщины биообрастаний. Показано, что влияние толщины биообрастаний на гидравлическое сопротивление хладоносителя прослеживается сильнее при ламинарном режиме течения. Из рис.2 видно, что увеличение гидродинамического сопротивление происходит примерно одинаково в обоих режимах течения до некоторой критической величины толщины биообрастаний в области 1 мм. С увеличением толщины биообрастаний при условии сохранения расхода хладоносителя (G2=const) происходит значительное увеличение гидравлического сопротивления, связанное с ростом гидравлического коэффициента трения потока хладоносителя и с уменьшением пропускного сечения.
Повышение гидравлического сопротивления, как за счет роста толщины биообрастаний, так и за счет повышения вязкости хладоносителя, ведет к увеличению энергозатрат на перекачку хладоносителя, повышенной нагрузке на насосное оборудование и его ускоренному износу.

Рисунок 1. Изменение гидравлического сопротивления h хладоносителя при 20°С в зависимости от вязкости хладоносителя и режима течения.
Рисунок 1. Изменение гидравлического сопротивления h хладоносителя при 20°С в зависимости от вязкости хладоносителя и режима течения.

Рисунок 2. Зависимость гидравлического сопротивления хладоносителя h от толщины биообрастаний и режима течения при постоянном расходе и различной вязкости хладоносителя. л – ламинарный режим, т – турбулентный режим, (? = 1;3;5 отн.ед) – при значениях вязкости хладоносителя. Диаметр пропускного сечения 40мм.
Рисунок 2. Зависимость гидравлического сопротивления хладоносителя h от толщины биообрастаний и режима течения при постоянном расходе и различной вязкости хладоносителя. л – ламинарный режим, т – турбулентный режим, (? = 1;3;5 отн.ед) – при значениях вязкости хладоносителя. Диаметр пропускного сечения 40мм.

* Примечание: Величины вязкости и гидравлического сопротивления, а также других величин при дальнейших расчетах, даны в относительных единицах. За 1 отн. ед. во всех расчетах принят показатель для случая «чистого» хладоносителя и контура без биообрастаний. Отображение зависимостей в относительных единицах удобно и более наглядно при оценке влияния того или иного фактора на показатели процессов во вторичном контуре охлаждения (ВКО).

Изменение параметров теплообменных процессов при наличии микроорганизмов
Наличие биообрастаний на поверхности теплообменника затрудняет процессы теплообмена между хладоносителем и охлаждаемой жидкостью. Кроме вышеперечисленных факторов на теплообмен влияет низкая теплопроводность биослоя, которая по нашим оценкам и согласно [6] при 20°С равна приблизительно 0,60 Вт/(м К). Эта величина на один-два порядка меньше теплопроводности конструкционных материалов стенки трубы, которая, например, для стали Ст20 равна 51,7 Вт/(м К).
Общее термическое сопротивление теплопередачи равно R=1/K [7]. На рис. 3 представлены зависимости показателя термического сопротивления R от толщины биообрастаний ?бо.
Из диаграмм на рис. 3 видно, что при турбулентном режиме течения (в отличие от ламинарного) общее термическое сопротивление R гораздо чувствительнее к изменениям толщины биообрастаний. Между тем следует заметить, что в абсолютных значениях R при ламинарном режиме течения значительно выше, чем при турбулентном.

Обобщенное влияние биофакторов на тепловой баланс ВКО
На практике влияние толщины биообрастаний на пропускное сечение, вязкость хладоносителя и термического сопротивления теплопередачи на работу ВКО, как правило, проявляются одновременно, усиливая негативные последствия на оборудование.
Для сохранения температурного режима в теплообменнике при наличии биообрастаний на его стенках и с учетом всех факторов, влияющих на теплообмен, требуется увеличение расхода хладоносителя и существенное увеличение мощности насосов для его перекачки. Вязкость хладоносителя, наличие биообрастаний и их влияние на повышение гидравлического и термического сопротивления в теплообменном оборудовании проявляют синергизм в своем действии и затрудняют эффективность теплообмена и работу ВКО в целом, что ведет к нарушениям температурного режима технологического процесса. Введение в состав хладоносителя биоцидных добавок, как показал наш практический опыт, может существенно снизить риск загрязнения его микроорганизмами и ПММ, и как следствие стабилизировать теплообменные процессы в системе холодообеспечения предприятий.
Выводы: для стабилизации теплообмена и повышения энергоэффективности после 3-5 лет эксплуатации ВКО необходим микробиологический мониторинг хладоносителя. ВКО, находящиеся в условиях вероятного обсеменения микроорганизмами, должны содержать в составе хладоносителя эффективные биоцидные добавки, не допускающие рост микроорганизмов до критической массы. При необходимости может потребоваться замена или регенерация хладоносителя, а также очистка контура от биообрастаний.
Меры по восстановлению работоспособности вторичного контура
В зависимости от степени отклонения от нормы фактических свойств хладоносителя и состояния вторичного контура возможны различные варианты действий: модификация хладоносителя, регенерация хладоносителя, замена отработанного хладоносителя на новый, очистка вторичного контура от накипно-коррозионных отложений.
Модификация хладоносителей производится без остановки работы холодильного оборудования и позволяет устранить основные причины нарушения работы вторичного контура холодильного оборудования за счет введения в хладоноситель от 3 до 6 % масс. концентрата добавок. Правильно подобранные добавки восстанавливают эксплуатационные характеристики вторичного контура в системе холодоснабжения, что, как показывает практика, при своевременном применении продлевает безаварийную работу вторичного контура холодильной системы более чем на 10 лет. Для пропиленгликолевых хладоносителей к таким концентратам добавок относится КПГ-ПК (ТУ 2422-014-11490846-07), разработанный ООО «Спектропласт».

Рисунок 3. Изменение термического сопротивление теплопередачи R в зависимости от толщины биообрастаний: ? для ламинарного режима течения охлаждаемой жидкости и хладоносителя; ? для турбулентного режима течения охлаждаемой жидкости и хладоносителя.
Рисунок 3. Изменение термического сопротивление теплопередачи R в зависимости от толщины биообрастаний:
квадрат_белый.pngдля ламинарного режима течения охлаждаемой жидкости и хладоносителя;
рисдля турбулентного режима течения охлаждаемой жидкости и хладоносителя.

Регенерация хладоносителя – трудоемкий процесс и в ряде случаев требует кратковременной остановки работы холодильного оборудования. Как правило, процесс регенерации заключается в сливе хладоносителя из вторичного контура, очистки от содержащихся в нем побочных примесей и последующем введении в очищенный хладоноситель специальных добавок, восстанавливающих его первоначальные эксплуатационные характеристики и препятствующих дальнейшей коррозии материалов вторичного контура.
Например, для хладоносителей на основе пропиленгликоля разработана и успешно применяется в производственных условиях технология очистки с использованием комплексообразующих веществ и корректирующих концентратов [2]. Разработанная методика очистки хладоносителя позволяет восстановить эффективность работы системы холодообеспечения до 90% от первоначальной. При этом регенерация отработанного хладоносителя более чем в два раза экономичнее замены на новый.

Очистка оборудования от накипно-коррозионных отложений и регенерация хладоносителя.
Наследием общезаводских систем холодоснабжения промышленных предприятий являются в большинстве случаев аммиакоёмкие системы с непосредственным кипением или использующие промежуточные хладоносители на основе CaCl2 или NaCl (рассолы). На рубеже веков многие системы были реконструированы: заменены коррозионноактивные неорганические рассолы, снижена емкость заправки токсичного и взрывоопасного аммиака. Однако вопросам коррозии, химической стойкости уплотнительных материалов, биообсеменности вторичного контура при реконструкции должного внимания не уделялось. И, как следствие, новые проблемы спустя 3-5 лет эксплуатации систем.

В 2000 г. на Стерлитамакском комбинате пиво-безалкагольных напитков была проведена реконструкц: установлены новые холодильные машины фирмы Грассо суммарной холодопроизводительностью 8,8 МВт, заменен хладоноситель (холодильная система изначально работала на рассоле NaCl), установлены новые трубопроводы, насосы и воздухоохладители (ВОПы). Хладагент – аммиак. Хладоноситель - 30%-ный раствор пропиленгликоля, объем - 180м3, циркуляция осуществляется восемью центробежными насосами KSB. Температура хладоносителя на входе/выходе в испаритель составляет +1 / -5 ?С.

Однако, спустя несколько лет в системе стала интенсивно проявляться коррозия насосного оборудования, свищи в теплообменниках, потекли ВОПы. Сквозная коррозия сварных швов трубопроводов заставляла постоянно проводить сварочные работы, приводила к потере дорогостоящего хладоносителя и вынужденной остановке оборудования. Появились затруднения с поддержанием заданного температурного режима охлаждаемой продукции.
Для исправления состояния системы холодообеспечения с учетом результатов обследования были рассмотрены следующие способы регенерации хладоносителя и промывки системы:
1. Полная замена хладоносителя на новый и промывка системы от накипно-коррозионных отложений. (Способ наиболее эффективен, но дорогостоящ и требует не менее трех дней на промывку).
2. Регенерация хладоносителя без остановки системы. (Способ наиболее экономичный из числа предложенных, но продолжительность работ может достигать более 30 суток).
Регенерация хладоносителя производится в три этапа введением реагентов в хладоноситель с целью связывания, растворенных в хладоносителе продуктов коррозии в малоактивные комплексы; их коагуляция; высаживание их на фильтрах системы, расположенных в байпасах.
3. Регенерация хладоносителя и промывка оборудования с кратковременной остановкой системы холодоснабжения. (Способ позволяет экономичнее, чем в первом способе и оперативнее, чем во втором способе, восстановить эффективность холодоснабжения).
По совокупности параметров в конкретных условиях предприятия (доминирующими были стоимость работ в расчете на 1 тонну регенерированного хладоносителя и время остановки холодообеспечения предприятия не более 5 суток) был выбран третий способ.
Выбранная по п.3. технология была экспериментально отработана в лабораторных условиях ООО «Спектропласт» и предполагала последовательное введение 3-х регенерирующих компонентов в хладоноситель и кратковременное перемешивание каждого по 3-5 мин. После введения третьего реагента хладоноситель должен сутки отстаиваться. За это время в емкости проходят процессы коагуляции железосодержащих частиц и их выпадение в осадок. Через сутки примерно 60% очищенного хладоносителя, содержащего в 100 раз меньше посторонних примесей даже без фильтрации, переливается в другую емкость. В очищенный хладоноситель вводятся ингибиторы коррозии, противопенные добавки, стабилизаторы, биоциды и другие целевые добавки. В результате регенерированный хладоноситель восстанавливает свои свойства и становится пригодным для заправки в систему охлаждения.
Работы по регенерации предполагают параллельно проведение работ по промывке контура ингибированной кислотой. Для этого через контур, освобожденный от хладоносителя, прокачивается вода, в нее вводится кислотный состав СП-ОМ (ТУ 2458-012-11490846–07) и ингибиторы коррозии. Насосом обеспечивается циркуляция кислотного раствора по контуру. По окончании промывки от накипно-коррозионных отложений кислота нейтрализуется щелочью, а система промывается водой с пассивирующими поверхность оборудования добавками.
Для реализации выбранного варианта регенерации до остановки системы холодообеспечения были подготовлены 6 емкостей по 60м3 (фото 4), предназначенных для отбора из системы хладоносителя и его очистки, изготовлены и завезены химические компоненты для регенерации хладоносителя, закуплена ортофосфорная кислота и другие компоненты для промывки системы. Проведены инструктажи рабочих, проведен ряд предварительных доработок системы и установлено вспомогательное оборудование.
Первоначально хладоноситель был перекачен (из вторичного контура) в четыре емкости по 45 т (фото 5а). Затем поочередно в каждую емкость начали вводить очищающие реагенты.

Цилиндрические емкости объемом 60 м3, которые использовались для сбора и очистки хладоносителя.
Фото 4. Цилиндрические емкости объемом 60 м3, которые использовались для сбора и очистки хладоносителя.

Фото 5а. Образец хладоносителя до регенерации.
Фото 5а. Образец хладоносителя до регенерации.

Фото 5б. Образец хладоносителя после регенерации.
Фото 5б. Образец хладоносителя после регенерации.

Разработанная технология позволила оперативно (менее чем за 48 часов) в четырех емкостях по 45 т регенерировать 120 м3 кондиционного хладоносителя (фото 5б). Остаток хладоносителя в 60т, обогащенный примесями, из четырех емкостей был слит в одну емкость – 60м3. В этом осадке содержалось приблизительно 30% продуктов коррозии и посторонних включений. В эту емкость повторно ввели реагенты и оставили на разделение и высаживание тяжелых фракций. За двое суток удалось выделить еще 37т кондиционного хладоносителя и направить его в систему охлаждения.
Недостаток в 23т (потери при регенерации) хладоносителя общим объемом 180м3 был оперативно восполнен за счет приготовления нового хладоносителя, а также введения в хладоноситель концентрата противокоррозионных добавок марки КПГ-ПК (ТУ2422-014-11490846-07) и корректирующих компонентов. На пятые сутки от начала работ холодильная система предприятия была запущена в работу.
Химический анализ хладоносителя на 7-ой день эксплуатации приведен в Табл. 2 (образец 3) показал, что содержание продуктов коррозии в хладоносителе до и после регенерации (образцы 1 и 2) снизилось более чем на два порядка. Коррозионная активность, время устойчивости пены, рН, концентрация пропиленгликоля, ингибитора коррозии и продуктов коррозии соответствуют норме.
Служба главного инженера комбината констатировала, что в работе системы холодоснабжения произошли качественные изменения после проведенных работ:
- снизилось энергопотребление холодильной машины на 5% за счет повышения температуры кипения хладагента на 1,5 ?С при обеспечении той же температуры хладоносителя; на 15% повысилась скорость охлаждения продукции (за счет большей эффективности теплообмена; на 10% снизилось гидравлическое сопротивление контура из-за меньшей плотности и вязкости хладоносителя;
- прекратились потери хладоносителя из-за протечек, обусловленные коррозионным разрушением контура.
Технологами комбината в следствие регенерации хладоносителя и частичной очистки контура была отмечена стабилизация границ температурных полей, требуемых по технологии производства пива, хранения дрожжей, хмеля, солода, сусла и др.
Отдельно отмечена возросшая чувствительность холодильной цепи к регулированию температурных параметров технологического холода, что позитивно сказалось на качестве конечной продукции предприятия.
Практически неограниченный ресурс работы регенерированных хладоносителей достигается регулярным проведением мониторинга состояния хладоносителя, который ООО «Спектропласт» проводит без дополнительной оплаты, и, при необходимости производит корректировку состава.

Таблица 2. Свойства и состав хладоносителя до и после регенерации.
Таблица 2. Свойства и состав хладоносителя до и после регенерации.
* - результаты получены атомно-абсорбционным методом.
** - показатели ТУ 2422-015-11490846-08 не нормируются.

Мониторинг хладоносителя как фактор стабильности и долговечности холодильного оборудования

Цель мониторинга – не только оценка состава и свойств хладоносителя, но и прогноз состояния вторичного контура на будущее с учетом выявленных особенностей его эксплуатации и подготовка при необходимости к упреждающим мероприятиям.

Холодильные установки требуют постоянного контроля при эксплуатации. Аналогична ситуация и с используемыми в них рабочими веществами, в том числе с промежуточными хладоносителями. Хладоносители для умеренно низких температур представляют собой, как правило, водный раствор основного компонента, понижающего температуру начала кристаллообразования этого раствора ниже 0 °С. В хладоноситель добавляется также комплекс присадок, регулирующий коррозионные процессы в системе, пенообразование, добавки, препятствующие росту микроорганизмов; стабилизаторы и др.
Однако в процессе эксплуатации состав и ряд свойств хладоносителей изменяются (например, химический состав, коррозионная активность, теплофизические свойства и др.). Эти изменения обусловлены:

- накоплением в хладоносителе продуктов коррозии, растворенного кислорода, охлаждаемых пищевых продуктов;
- деструкцией или полимеризацией некоторых компонентов;
- отложением на стенках оборудования накипнокоррозионных слоев и т.д.

Все это приводит к ухудшению процессов теплопереноса, повышению энергозатрат, снижению регулируемости и качества производимого холода, снижению ресурса работы и надежности оборудования, повышению затрат на эксплуатацию и ремонт, что в конечном счете отражается на себестоимости и качестве производимой продукции или услуг [8].
Так, например, причиной выхода из строя холодильного оборудования нескольких ледовых полей в Москве в 2002–2003 гг. при эксплуатации в течение 6 – 12 мес. явилась высокая коррозионная активность хладоносителя – водного раствора CaCl2, которая привела к преждевременному коррозионному износу контура с промежуточным хладоносителем в новом холодильном оборудовании. Вместе с тем известны случаи, когда система на CaCl2 успешно работала более 20 лет. Обусловлено это тем, что на коррозионную активность хладоносителя влияет множество факторов. В частности, хладоносители повышают свою коррозионную активность с повышением содержания в них продуктов коррозии – ионов металлов. Особого внимания заслуживает тот факт, что в присутствии ионов хлора и растворенного кислорода этот процесс многократно ускоряется. Известны многочисленные случаи сквозных коррозионных разрушений вторичного контура хлоридными хладоносителями и негативные последствия этих аварий.
Непреднамеренные протечки испорченного хладоносителя в охлаждаемую продукцию приводят к порче и потере ее потребительских свойств. При эксплуатации холодильной системы часть хладоносителя может попадать в охлаждаемый продукт, одновременно происходит и обратный процесс. Чем опасно проникновение продуктов коррозии из хладоносителя, например, в охлаждаемую пищевую продукцию? Ионы железа являются мощными природными катализаторами практически всех биопроцессов, в т.ч. способствуют росту (незапланированному технологами) микроорганизмов, что негативно сказывается на протекании ряда биотехнологических процессов (например, в пивоваренной и молочной промышленности) и на сроках хранения готовой пищевой продукции и на вкусовых свойствах. Ионы меди инициируют деструкцию макромолекул и образование свободных радикалов, что приводит к порче пищевой продукции и к ухудшению её органолептических свойств. Кроме этого, большинство продуктов коррозии обладают значительно большей (на порядки) токсичностью, чем сам хладоноситель, что может нанести вред здоровью потребителей и экологии, существенно превышающий ту степень риска, которая декларируется поставщиками. К таким продуктам коррозии относятся, например, хлориды меди, никеля, олова, ацетаты и формиаты свинца. Т.е. тех материалов, которые используются во вторичном контуре и контактируют с хладоносителем.
Вместе с тем, своевременный и полный мониторинг хладоносителя позволяет сделать срок эксплуатации контура промежуточного хладоносителя холодильного оборудования сопоставимым со сроком его морального старения при минимальном коррозионном износе дорогостоящего холодильного оборудования, а стабилизация теплофизических свойств хладоносителя позволяет поддерживать высокое качество охлаждаемых продуктов при прогнозируемых экономических затратах на охлаждение.
На рис.6 схематично изображена последовательность операций при мониторинге и технической поддержке хладоносителя в процессе эксплуатации в холодильной установке.

Рисунок 6. Последовательность операций при мониторинге и технической поддержке хладоносителя в процессе эксплуатации холодильной установки.
Рисунок 6. Последовательность операций при мониторинге и технической поддержке хладоносителя в процессе эксплуатации холодильной установки.

Исследование химического состава хладоносителя позволяет определить изменение содержания в нем основных компонентов, обнаружить появление продуктов коррозии и новых веществ, в т.ч. и охлаждаемой продукции.
В процессе эксплуатации состав хладоносителя может изменяться. В нем, как правило, накапливаются продукты коррозии (ионы железа (Fe), меди (Cu) и др.) и охлаждаемая продукция. При этом каждый из компонентов, накапливающийся в хладоносителе, влияет на его теплофизические свойства. Например, из рис. 7 видно, что с увеличением содержания продуктов коррозии плотность хладоносителя возрастает при постоянной температуре начала кристаллизации. Не линейный характер кривой на рис.7 обусловлен доокислением в хладоносителе ионов железа и выпадением их в осадок.
Важно отметить, что при длительной эксплуатации продукты коррозии, накапливаясь в хладоносителе, дополнительно ускоряют его коррозионную активность [9], что иллюстрируется данными, приведенными на рис.7.

Рисунок 7. Изменение коррозионной активности неингибированного 30% водного раствора пропиленгликоля (ПГ) по отношению к стали Ст20 при 20?С в зависимости от содержания в растворе ионов хлора, железа, меди и сульфата (испытания проводились в сопоставимых условиях, на образцах в виде отрезков труб).
Рисунок 7. Изменение коррозионной активности неингибированного 30% водного раствора пропиленгликоля (ПГ) по отношению к стали Ст20 при 20С в зависимости от содержания в растворе ионов хлора, железа, меди и сульфата (испытания проводились в сопоставимых условиях, на образцах в виде отрезков труб).

Исследование коррозионной активности хладоносителя дает возможность выявить слабое место в системе, наиболее подверженное коррозионному разрушению или химическому растворению. Коррозионное взаимодействие стенок вторичного контура с хладоносителем (химическое, электрохимическое, биохимическое) разрушает часто через 6 ? 18 месяцев в первую очередь дорогостоящие медные элементы системы (теплообменники). После первичной замены медного теплообменника фирма, эксплуатирующая «самодельный» хладоноситель, ищет способы «борьбы» с коррозией. В этих целях фирма применяет защиту электрическим потенциалом, магнитную обработку, а также популярные химические методы борьбы с коррозией, добавляя в хладоноситель нитриты, бораты, фосфаты и др.
Особую сложность представляют случаи, когда сами ингибиторы коррозии растворяют или охрупчивают уплотнительные или конструкционные материалы холодильного оборудования. Так, широко распространенные уплотнительные материалы из бутадиеннитрильного и бутадиенстирольного каучуков или полиуретанов, применяемые в пластинчатых теплообменных аппаратах, нестойки в присутствии ингибиторов коррозии на основе хроматов, а аминные ингибиторы коррозии могут привести при определенных условиях к охрупчиванию и растрескиванию полиэтиленовых и полипропиленовых труб, часто используемых в строительстве ледовых полей [10].
Для успешной борьбы с коррозией, т.е. для приведения эксплуатационных параметров хладоносителя в пределы требований ГОСТ 28084-89 «Жидкости охлаждающие низкозамерзающие» необходим комплексный подход. На практике для снижения коррозионной активности водных растворов пропиленгликоля широко применяют комплекс ингибиторов коррозии, например, марки КПГ-ПК, выпускаемый по ТУ 2422-014-11490846-07, хорошо зарекомендовавший себя на сотнях предприятий при длительной эксплуатации.
Однако, ингибиторы коррозии снижают, как правило, только коррозионную активность хладоносителя. Без дополнительного комплекса присадок остаются нерешенными вопросы осадкообразования, химического сопротивления прокладочных материалов, регулирования вязкости, гидрофильно-гидрофобного взаимодействия хладоносителя со стенками оборудования, определения протечек и т.д.
Контроль теплофизических свойств хладоносителя при мониторинге позволяет своевременно выявить изменение соотношения основного компонента и воды (в том числе из-за испарения, окисления, деструкции или полимеризации, протечек охлаждаемой продукции в хладоноситель). Изменение теплофизических свойств хладоносителя на практике приводит к изменению интенсивности теплообменных процессов, к несоблюдению температурного режима, что, в свою очередь, ведет к нарушению технологии производства.
После проведения исследований свойств хладоносителя и выявления и устранения причин изменения его свойств [11] компания производитель, способная проводить мониторинг своей продукции, может оперативно создавать концентрат добавок, введение которого в хладоноситель восстанавливает нарушенные эксплуатационные характеристики контура промежуточного хладоносителя в системе холодоснабжения.
Например, при протечке охлаждаемой продукции в хладоноситель происходит, как правило, увеличение времени устойчивости пены, что при значениях более 60 сек. может привести к завоздушиванию и срыву работы циркуляционных насосов.

Принципы разработки добавок, корректирующих время устойчивости пены хладоносителей.
Протечка охлаждаемой продукции в хладоноситель (масло, виноматериалы и др.) в большинстве случаев приводит к понижению поверхностного натяжения хладоносителя и, как следствие, вспениванию хладоносителя. Длительное время устойчивости пены хладоносителя ответственно за кавитацию в турбулентных зонах ВКХО, а время устойчивости пены более 60с приводит к срыву работы циркуляционных насосов из-за завоздушивания. Для снижения времени устойчивости пены разработан и сертифицирован концентрат КПГ-ПП (ТУ2422-014-11490846-07).
Действующим веществом в КПГ-ПП являются силиконовые или минеральные масла, не обладающие упругостью. Капли масла, эмульгированные в КПГ-ПП сорбируются на поверхности хладоноситель-воздух и растекаются на ней, вызывая утончение пенной пленки вплоть до ее разрушения. Условием растекания масла по поверхности воды является положительный коэффициент растекания:
положительный коэффициент растекания:
где Yw и Y0 — поверхностное натяжение хладоносителя и гасящего пену масла соответственно; Yw/0 — межфазное натяжение на границе между хладоносителем и КПГ-ПП. Поверхностное натяжение хладоносителя на основе пропиленгликоля обычно находится в интервале от 25 до 40 мН/м. В связи с этим условие растекания требует, чтобы межфазное натяжение границы раздела КПГ-ПП – хладоноситель было очень низким. Если неравенство не выполняется, масло в составе КПГ-ПП образует на поверхности вода-воздух линзы.
Высокую эффективность показали силиконовые масла, т.к. они имеют низкое поверхностное и межфазное натяжение относительно воды. Важным критерием выбора поверхностно-активных веществ (ПАВ) является его гидрофобность - ПАВ не должны растворяться в водной фазе, поскольку в противном случае они будут переходить из минерального масла в воду (хладоноситель), понижая эффективность действия КПГ-ПП. Для сложных многокомпонентных хладоносителей в состав КПГ-ПП входят пеногасители на базе минеральных масел. Эти масла часто имеют более высокие межфазные натяжения на границе минеральное масло-хладоноситель, и в этом случае они не растекаются самопроизвольно по поверхности хладоноситель-воздух. Для инициирования растекания в минеральные масла ввели ПАВ - длинноцепочечные жирные амиды. ПАВ адсорбируются на межфазной границе масло-хладоноситель, понижая межфазное натяжение. Кроме противопенных нами разработаны добавки, регулирующие и стабилизирующие рН, температуру начала кристаллизации, коррозионную активность и др. эксплуатационные свойства хладоносителей.

Квинтэссенция
Таким образом, для обеспечения эффективной эксплуатации хладоносителя необходимо контролировать не только температуру tн.кр.. Определить отклонения от нормы хладоносителя позволяет мониторинг, включающий контроль теплофизических свойств и состава хладоносителя в процессе эксплуатации, в т.ч. изменение ионного состава, коррозионную активность, остаточное содержание расходуемых ингибиторов коррозии, наличие в хладоносителе компонентов охлаждаемой продукции и др.[3]. Особенности мониторинга хладоносителя в процессе эксплуатации описаны в [9].
Для хладоносителей, уже содержащих в своем составе значительное количество осадка, разработана и применяется в производственных условиях технология восстановления (регенерации) их свойств [2]. Для этого применяются комплексообразующие вещества и корректирующие концентраты. Регенерация свойств и состава хладоносителя позволяет восстановить эффективность работы системы холодообеспечения до 90% от первоначальной и может проводиться без остановки оборудования, что в ряде случаев является критически важным для действующих производств. Кроме того, стоит регенерация существенно дешевле полной замены хладоносителя.

Литература
1. Генель Л.С., Галкин М.Л. Изменение некоторых параметров эффективности и безопасности хладоносителей в процессе их эксплуатации. // Холодильный бизнес. 2008. № 3.
2. Шаповаленко А.Я., Свешников А.В., Зенкин И.Ф. Новый хладоноситель в старом оборудовании – способ повышения эксплуатационной безопасности предприятий. // Холодильная техника. 2006. №8.
3. Л.С. Генель, М.Л. Галкин. Микробиологическая безопасность систем охлаждения и кондиционирования воздуха // Холодильная техника, 2009, №2, с. 48-52.
4. B. J. Little, J. S. Lee. Microbiologically Influenced Corrosion. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2007, 294 p.
5. R. P. Verhoef. Structural Characterisation and Enzymatic Degradation of Exopolysaccharides involved in Paper Mill Slime Deposition.- Ph.D. thesis Wageningen University, the Netherlands, 2005-01-04.
6. Roberge, Pierre R. Handbook of Corrosion Engineering. McGraw-Hill, 2000, 1128 р.
7. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии: Учебник для вузов. Изд. 2-е, в 2-х кн.: Часть 1. Теоретические основы процессов химической технологии. Гидромеханические и тепловые процессы и аппараты. М.: Химия, 1995. – 400 с.: ил.
8. Цветков О.Б., Лаптев Ю.А. Безопасный холод. // Холодильная техника. 2006. № 3.
9. Генель Л.С., Галкин М.Л. Мониторинг хладоносителя как фактор стабильности и долговечности холодильного оборудования // Холодильная техника, 2006, №6, с.51-53.
10. Воробьева Г.Я. Коррозионная стойкость материалов в агрессивных средах химических производств. – М.: Химия, 1975.
11. Генель Л. С., Галкин М. Л. Проблемы использования промежуточных хладоносителей во вторичном контуре холодильного оборудования // Холодильный бизнес. 2004. № 6.

 





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