Основные аспекты комплексного подхода к расширению применения аммиачного оборудования в холодильной промышленности

Аннотация

Выбор хладагента является одной из ключевых проблем в холодильной технике: применяя более совершенные рабочие вещества, можно достичь значительной экономии в затратах энергии на единицу производимого холода.

Полный текст

За прошедшее столетие отношение к аммиаку как к хладагенту менялось от полного приятия до резкого отторжения, связанного с заполнением рынка хладагентов хлорфторуглеродами, а также гидрохлорфторуглеродами (CFC и HCFC), которые первоначально рассматривались как панацея, обещающая полное вытеснение NH₃ из холодильной техники. К счастью, этого не произошло. Тщательное изучение свойств фреонов постепенно развеяло миф об их теплофизической и экологической безупречности.

Поиск альтернативных хладагентов осуществляется и в настоящее время по трем направлениям:

• синтез новых HFC. Это очень дорогостоящее направление, так как оно связано с созданием оборудования для синтеза новых веществ, проверки их свойств (причем результаты проверки необязательно окажутся положительными);
• разработка смесей, удовлетворяющих всем требованиям, предъявляемым к рабочим веществам холодильных машин, с использованием известных хладагентов;
• более широкое применение в холодильной промышленности природных веществ, таких как аммиак, вода, пропан, диоксид углерода. Они хорошо изучены, являются экологически чистыми продуктами, имеют вековую практику производства и применения. Кроме того, уже давно налажены как промышленный выпуск этих веществ, так и производство холодильного оборудования с их использованием.

Аммиак, открытый 250 лет назад и применяемый как холодильный агент с 1859 г. в абсорбционных машинах, а с 1876 г. — в компрессионных, является по термодинамическим свойствам наилучшим хладагентом. Теплообменные аппараты на аммиаке обеспечивают прекрасные значения коэффициентов теплоотдачи. Энергетические показатели аммиачных холодильных машин и установок высоки: с энергетической точки зрения альтернативы аммиаку нет. Он в отличие от фреонов не разрушает озонового слоя и не создает парникового эффекта.

Стоимость аммиака значительно ниже стоимости фреонов, теплота испарения (1369 кДж/кг) чрезвычайно высока по сравнению с другими хладагентами, поэтому его требуется значительно меньше, чем фреонов (13...15 % по сравнению с R22). Кроме того, фреоны обладают высокой текучестью, что в сочетании с отсутствием цвета и запаха создает значительные сложности при уплотнении холодильной системы, а при неквалифицированной эксплуатации — большие экономические потери.

Отрицательные свойства аммиака проявляются только при большом его количестве (несколько тонн) в системе и при условиях, когда могут создаться критические концентрации. Сегодня это достаточно легко решаемая задача. Существуют проекты крупных холодильных объектов, содержащих минимальное количество аммиака. Кроме того, современные средства автоматизации, в том числе и отечественные, позволяют создавать высоконадежные холодильные комплексы.

Одно из достоинств аммиака — его запах, позволяющий выявлять малейшие утечки органолептически без применения специальных приборов, — относят к существенным недостаткам. Да, действительно, аммиак теоретически взрывоопасен при объемном содержании в воздухе от 15 до 28 % (107...200 мг/л). Однако нам неизвестны случаи взрывов, за исключением легенд многолетней давности, связанных в основном с гидравлическими ударами при отсутствии автоматики. Известно множество случаев взрыва бытового газа, приводящих к трагическим последствиям, но ни кому в голову не придет запретить газоснабжение домов и отдельных квартир.

Надо учесть, что аммиак в отличие от фреонов легче воздуха, поэтому его попадание в атмосферу при разгерметизации имеет локальный характер. Следует обратить внимание и на то, что мгновенная разгерметизация аммиачной холодильной установки не приводит к моментальному выбросу в атмосферу хладагента. Выйдет только паровая фаза, которая составляет незначительное количество от общего содержания аммиака в системе. Остальной жидкий аммиак будет медленно выкипать. Конечно, держать в черте города холодильные аммиачные системы, выполненные по старым проектам и содержащие по 60...70 т аммиака, опасно. Такие системы требуют реконструкции.

Считая фреоны безопасными для человека, что связано прежде всего с отсутствием запаха, забывают, что они тяжелее воздуха. Известны случаи гибели людей от недостатка кислорода при разгерметизации большого объема с фреоном. Кроме того, при наличии открытого пламени он разлагается, выделяя отравляющие вещества, которые значительно более опасны для людей, чем запах аммиака. В этом плане очень показателен пожар, произошедший 4 апреля 2001 г. на складе бытовой химии в Марьиной Роще. При пожаре взрывались аэрозольные баллончики, выделяя ядовитый продукт — ОВ фосген. Приведу еще один пример. В 1995 г. произошел пожар на холодильной установке в Одинцово. В системе было около 3 т аммиака. При пожаре горел металл, алюминиевые детали расплавились, а аммиак после срабатывания предохранительных клапанов вышел в атмосферу и поднялся вверх, не причинив никому вреда. Совершенно ясно, что при пожаре фреоновые холодильные установки более опасны, чем аммиачные.

Перечисленные обстоятельства привели к расширению области применения аммиака за рубежом, в частности к его использованию в системах кондиционирования и вхолодоснабжении супермаркетов. При этом были приняты меры к снижению
опасности выбросов NH₃ и в первую очередь к уменьшению количества заправляемого хладагента.

И в России есть отрасли холодильной техники, где традиционно предпочтение отдавалось аммиаку. По сообщению начальника отдела механического оборудования и систем ГУ Морского регистра Л.Н.Парфенова, аммиачные холодильные установки всегда широко использовались на судах рыбной промышленности. К началу 70-х годов 90 % всех судов были оборудованы такими установками, на смену которым пришли фреоновые. А с начала 90-х годов в мире снова наметилась тенденция увеличения строительства судов с аммиачными холодильными установками.

Особенностью пищевой промышленности России всегда было наличие крупных плодоовощных, кондитерских, пивных, рыбных, мясомолочных и других предприятий, которые сложились в доперестроечное время и отчасти даже дореволюционное. Создание этих предприятий обусловило применение крупного холодильного оборудования, которое, естественно, работало в основном на аммиаке.

На основании многолетнего опыта эксплуатации этих предприятий была разработана и в течение десятков лет проверена и откорректирована нормативная база технической эксплуатации холодильных комплексов на основе крупных аммиачных холодильных установок. Она создавалась головным ВНИИ холодильной промышленности и была оформлена как Правила безопасной эксплуатации аммиачных холодильных установках. Эти Правила по существу явились техническим законом по эксплуатации аммиачных холодильных установок и адекватно отражали специфику техники безопасности на промышленных аммиачных холодильных установках в дополнение к Правилам котлонадзора. С течением времени были разработаны новые Правила безопасной эксплуатации и новые Правила котлонадзора. Дополненные лицензионным прессом, они по существу поставили аммиачные холодильные станции на предприятиях на грань остановки. В итоге оказалось, что в аммиачном цехе, где по старым Правилам котлонадзора, которые действовали десятки лет, все сосуды холодильных установок не регистрировались Госгортехнадзором, в настоящее время без разрешения этой организации нельзя осуществить даже следующие работы:

• заменить устаревшие компрессор, сосуд, вентиль, кран, прибор, трубопровод без проекта; проект должен быть согласован независимо от его объема и сложности с Госгортехнадзором, и проектант должен иметь лицензию;
• выполнить ремонт упомянутых элементов без специальной лицензии у ремонтника;
• проектант, взявшийся за проект замены какого-либо элемента аммиачной холодильной установки, автоматически обязан отвечать за безопасность всего комплекса;
• предприятия — изготовители аммиачного оборудования должны быть также лицензированы на право производства, проектно-конструкторские, ремонтные, пусконаладочные и монтажные работы;
• дополнительно требуются разрешения на применение всех элементов АХУ, вплоть до крана и вентиля D_v=6;

Однако этот комплекс жесточайших мер не уменьшил числа аварий. Реальный способ обеспечения безопасности АХУ — это уменьшение количества аммиака в одной замкнутой системе при одновременном принятии ряда конструктивных мер, локализующих возможный выброс аммиака.

Уменьшение количества аммиака в холодильной установке при сохранении заданной холодопроизводительности возможно при комплексном подходе к этой задаче, включающем следующие меры:

• замену систем непосредственного кипения аммиака на системы с промежуточным хладоносителем;
• децентрализацию холодоснабжения при создании новых и реконструкции действующих холодильных установок;
• использование холодильных машин с малоемкими теплообменными аппаратами для охлаждения промежуточного теплоносителя;
• применение новых промежуточных хладоносителей, нейтральных к металлам, экологически безопасных, имеющих низкую температуру замерзания и при этом незначительную вязкость;
• использование масел, растворимых в аммиаке;
• оборудование выпускаемых холодильных машин устройствами и средствами автоматики, позволяющими локализовать аммиак в случае разгерметизации холодильной машины.

АО «Промхолод» в сотрудничестве с различными организациями активно проводит в жизнь вышеназванные меры.

В 1996 г. совместно с АО «Павлоградхиммаш» разработан ряд пластинчатых конденсаторов, испарителей и маслоохладителей и созданы их опытные образцы.

Разработана схема обвязки пластинчатых аппаратов с автоматизированным выпуском масла из испарителя. В настоящее время создаются опытные образцы испарителей с внутритрубным кипением аммиака, емкость которых по аммиаку сравнима с емкостью пластинчатых. Такого типа аппараты могут производиться на наших предприятиях и при более низкой стоимости составят конкуренцию пластинчатым.

Невозможно говорить о применении малоемких аммиачных машин без решения вопроса о промежуточном хладоносителе.

Известно, что пластинчатые аппараты из нержавеющей стали непригодны для работы на широко распространенных хладоносителях — водных растворах хлористого кальция и натрия. Применение же в качестве хладоносителя этиленгликоля создает новую опасность. В справочнике «Химические агенты ФРГ- 2000» указана токсичность различных веществ в LD₅₀ (летальная доза в граммах на 1 кг массы, при которой 50 % живых существ погибает). Этот показатель составляет для метилового спирта 0,14 г; этилового спирта - 7,0 г; глицерина - 12,6 г; этиленгликоля - 0,79 г; соли поваренной (хлористого натрия) - 3,0 г; хлористого кальция - 1,0 г; поташа (К₂СО₃) -1,8 г. Из приведенных данных видно, что этиленгликоль по токсичности находится на втором месте после метилового спирта.

До последнего времени разработка новых хладоносителей велась очень вяло. Нам удалось привлечь к этой проблеме видного химика лауреата Государственной премии, д-ра хим. наук, проф. В.П.Баранника. Совместно с ним разработаны экологически чистые хладоносители «Экосол-10», «Эко- сол-20», «Экосол-40» и «Экосол-65» на основе этилкарбитола (цифра соответствует температуре замерзания в градусах Цельсия).

Экосолы имеют более высокую, чем у известных хладоносителей, теплоемкость [для сравнения: теплоемкость этиленгликоля 3,26 кДж/(кг-К), а «Экосола-40» 4,434 кДж/(кг-К)] и более низкую вязкость. Так, при температуре —20°С вязкость этиленгликоля составляет 11.7-10⁴ Пас, хлористого кальция - 90-10⁴ Пас, а «Эко-сола-65» - 80-10⁴ Пас, что обусловливает меньшие гидравлические потери при циркуляции.

Экосолы — химически нейтральные вещества, нетоксичны и не взаимодействуют с черными и цветными металлами, с нержавеющими сталями и резиной. Стоимость экосола, несмотря на ограниченное его производство, несколько ниже, чем этиленгликоля, а при производстве больших объемов будет значительно уменьшена. Имеющиеся производственные мощности позволяют выпускать экосолы в необходимых объемах.

В настоящее время нами разработана также новая гамма дешевых хладоносителей. Однако считаем, что до проведения всесторонних исследований и промышленных испытаний заявлять об этих хладоносителях преждевременно.

Аммиак не растворяет минеральные масла. Масляная пленка в теплообменных аппаратах значительно уменьшает коэффициент теплопередачи, что увеличивает потребление электроэнергии на 12...20 %.

Применение масла, растворимого в аммиаке, позволяет полностью устранить термическое сопротивление, обусловленное масляной пленкой [коэффициент теплоотдачи со стороны аммиака в этом случае увеличивается с 600...800 до 910 Вт/(м²-К)], уменьшить размеры аппаратов и аммиакоемкость машины.

В результате совместной работы Института нефтехимии АН Украины, Украинского отделения МАХ и АО «Промхолод» синтезирован и запатентован в 1997 г. ряд масел, растворимых в аммиаке. Опытные образцы этих масел, прошедшие всесторонние исследования, ждут стендовых и промышленных испытаний.

Если до 50-х годов прошлого столетия автоматизация холодильных машин была минимальной и управление было в основном ручным, то сейчас холодильная техника оснащается высоконадежными микропроцессорными устройствами, сигнализирующими о любых аварийных ситуациях и предотвращающими их.

Нашим предприятием производятся микропроцессорные блоки управления холодильными машинами. Решение вопроса автоматизации АХУ тесно связано с созданием и производством надежных соленоидных вентилей. Такие вентили выпускает наше предприятие совместно с ЦКБ Арматуростроения (Киев).

Перечисленные выше новые технические решения воплощены в конструкторской документации на ряд холодильных машин производительностью от 10 до 1500 кВт.

Следующий шаг в обеспечении безопасности АХУ - выпуск малоаммиакоемких холодильных машин в контейнерах с системой локализации возможной утечки аммиака.

Уже сегодня в нашей стране можно производить практически совершенно безопасное аммиачное оборудование и, сократив импорт холодильного оборудования, начать экспорт холодильной техники.

Однако для этого необходимо технические усилия дополнить следующими организационными мероприятиями.

• Признать аммиак основным холодильным агентом, на применение которого ориентировать производителей холодильных машин, проектные организации, потребителей холода.
• Расширить диапазон использования аммиака в сторону малых и мелких холодильных машин.
• Внести изменения и дополнения в Правила устройства и безопасной эксплуатации АХУ с целью введения их четкой градации по количеству используемого аммиака и выведения малоемких аммиачных машин из- под контроля Госгортехнадзора