The main aspects of an integrated approach to expanding the use of ammonia equipment in the refrigeration industry

Abstract

The choice of refrigerant is one of the key issues in refrigeration technology: by using more advanced working fluids, significant savings in energy costs per unit of cold produced can be achieved.

Full Text

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.

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