На главную страницу Rambler's Top100

О журнале

Архив

Разделы

Полезные ссылки

Rambler's Top100

Yandex.CN Сделано для России , тематический каталог отборных русских сайтов.

 

М. Л. Галкин

кандидат технических наук, академик Международной академии холода, технический директор ООО «Спектропласт», Москва
  • Энергобезопасность и энергосбережение №2, 2009

    Эксплуатационная безопасность систем холодоснабжения

    Введение

    Наблюдаемый в настоящее время рост внимания к безопасности систем охлаждения, отопления и кондиционирования связан с финансовой и уголовной ответственностью руководителей за вред здоровью работников предприятия и окружающей среде. Переплата за электричество и газ из-за неоптимальной работы систем кондиционирования и отопления идет из средств учредителей.

    Признано, что повысить эксплуатационную безопасность теплообменных систем и снизить эксплуатационные расходы можно, технически и экономически обоснованно выбрав теплопередающую жидкость (хладоноситель). Однако использование пожаро- и взрывоопасного, или токсичного и ядовитого, или коррозионно-активного хладоносителя вряд ли может повысить эксплуатационную безопасность системы теплообмена.

    Какое влияние на безопасность теплообменных систем оказывают теплопередающие жидкости?

    Постановка задачи

    Для системного подхода к выбору хладоносителей были рассмотрены следующие процессы в теплообменном контуре и трубопроводах, при которых проявляются свойства хладоносителя как источника опасности:

    1) коррозия стенок оборудования;

    2) образование накипных и коррозионных отложений на стенках оборудования;

    3) проникновение хладоносителя в охлаждаемую продукцию или протечка в почву;

    4) испарение летучих фракций хладоносителя при разгерметизации вторичного контура холодильного оборудования и, как следствие, нахождение их в воздухе в пожаро- и взрывоопасных концентрациях;

    5) рост микроорганизмов в среде хладоносителя и их проникновение при разгерметизации.

    Микробиологическая безопасность хладоносителей

    В рамках данной статьи начнем рассмотрение проблем с микробиологической безопасности. Водосодержащие хладоносители вторичного контура холодильного оборудования, а также конденсат воды из атмосферы на охлаждённой поверхности теплообменного оборудования являются средами обитания микроорганизмов. Продукты жизнедеятельности некоторых микроорганизмов оказывают сильное воздействие на окружающую среду и организм человека, чаще неблагоприятное (токсическое), как например, возбудители тяжёлой инфекции Legionella pneumophila, развивающиеся в конденсате системы кондиционирования зданий и распространяющиеся вместе с потоком кондиционируемого воздуха [1].

    Важными факторами, влияющими на жизнедеятельность микроорганизмов, являются температура, состав и кислотность среды. Условия размножения некоторых видов микроорганизмов приведены в таблице 1.

    Микроорганизмы способны существовать как вкислородсодержащей среде (аэробные), так и в среде, не содержащей свободный кислород (анаэробные). Аэробные бактерии могут без проблем развиваться и размножаться и в жидких средах, используя для дыхания растворённый кислород. Многие микроорганизмы способны разлагать сложные органические соединения. Вследствие этого микроорганизмы могут играть значительную роль в процессе возникновения биоповреждений конструкционных и прокладочных материалов холодильного оборудования.

    Вероятность попадания микроорганизмов в хладоноситель повышается в процессе его изготовления, при пусконаладочных работах и обслуживании холодильного оборудования (заправка и дозаправка хладоносителем), при транспортировке и обслуживании хладоносителя, при ремонте и модернизации вторичного контура и его очистки от накипно-коррозионных отложений и при любых других работах, связанных с разгерметизацией вторичного контура и контактом хладоносителя с атмосферным воздухом, а также в процессе эксплуатации.

    Реальность присутствия микроорганизмов в хладоносителях подтверждена экспериментально. Работы по идентификации микроорганизмов проводились ООО «Спектропласт» совместно с Институтом биохимии и физиологии микроорганизмов, г. Пущино. Так, например, в ацетатном хладоносителе нами были обнаружены грибы Paecilomyces lilacinus и Fusarium solani. Эти же грибы успешно развивались и в формиатном хладоносителе.

    Следует обратить внимание, что хладоносители на основе одноатомных спиртов и гликолей жизнедеятельность большинства видов микроорганизмов не поддерживают.

    Оседание микроорганизмов на стенках теплообменного оборудования, образование слоёв, влияющих на тепловое сопротивление аналогично накипно-коррозионным отложениям, может вызвать снижение эффективности теплообменных процессов (рис. 1). Температура проведения испытаний +15 оС, время проведения испытаний 6 месяцев, рН=6, материал трубы Ст20.

    При заражении хладоносителя грибковыми микроорганизмами возможно значительное увеличение его вязкости, что влечет за собой повышение энергозатрат на прокачку энергоностителя. В частности, при испытании вязкость образца ацетатного хладоносителя, содержащего гриб Fusarium solani, увеличилась в 2,4 раза при 0оС по сравнению с незаражённым образцом.

    Наиболее активными микроорганизмами, влияющими на коррозионные процессы, являются тионовые (Thiobacillus) и нитрифицирующие (Nitrosomonas, Nitrosocystis) бактерии. Продукты жизнедеятельности этих микроорганизмов имеют кислую или щелочную реакцию, и их присутствие в хладоносителе может привести к существенному изменению рН-среды. В результате специально подобранные для хладоносителя с определённым рН ингибиторы коррозии могут оказаться неэффективными, и начнётся интенсивная коррозия металла.

    Сульфатредуцирующие бактерии (Desulfovibrio, Desulfotomacullum), образующие метаболиты (NH3, CO2, H2S, органические кислоты), способны ускорить коррозию за счет деполяризации коррозионных пар на поверхности металла. Участие железобактерий (Leptothrix, Crenothrix, Gallionella, Siderocapsa, Ochrobium и др.) в коррозионном процессе является причиной возникновения дифференцируемо-аэрируемых электрохимических ячеек на поверхности металлов. Эти бактерии могут образовывать на внутренней поверхности трубопроводов и теплообменных аппаратов слизистые скопления, участки металла под которыми плохо аэрируются и действуют как анод, в то время как омываемые проточным хладоносителем участки имеют более высокий потенциал и действуют как катод. В анодной зоне металлическое железо растворяется в соответствии с уравнением Fe-> Fe2+ + 2e , т.е. ускоряется процесс электрохимической коррозии.

    Вода как технологическая жидкость в оборотных системах охлаждения и в системах стабилизации теплообмена в наибольшей мере уязвима для микроорганизмов (в открытых и в закрытых системах) как в процессе эксплуатации, так и при простое. Например, на одном из крупных российских предприятий используемая там технологическая вода обладает очень резким сероводородным запахом. При изучении микробиологического состава этой воды в ней были выявлены сульфатредуцирующие бактерии различной морфологии, а также бактерии рода Bacillus (рис. 2). Первые из них восстанавливают присутствующие в воде сульфаты до сероводорода, который и определяет её неприятный запах. Большинство видов бактерий Bacillus являются патогенными и вызывают респираторные инфекции, пищевые отравления и др. Дополнительную опасность бактерии Bacillus несут из-за того, что являются спорообразующими.

    Наибольшую опасность для здоровья человека представляет возможность заражения человека микроорганизмами из хладоносителя и их спорами или отравления токсичными продуктами их жизнедеятельности. В таблице 2 приводятся виды воздействия вырабатываемых микроорганизмами токсинов на организм человека.

    Для борьбы с развитием микроорганизмов различных типов в состав хладоносителей необходимо вводить антимикробные добавки, а также использовать хладоносители, по своей природе не поддерживающие развитие микроорганизмов, например, на основе одноатомных спиртов и гликолей.

    Из вышесказанного следует, что целесообразнорегулярно проводить биомониторинг хладоносителей, а также среды охлаждения (питьевой воды и воздуха производственных, общественных и жилых зданий) на наличие и концентрацию в их составе патогенных и условно-патогенных микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности.

    Влияние на токсичность хладоносителя продуктов коррозии

    Помимо микробиологической безопасности важным фактором безопасности эксплуатации систем холодоснабжения является предотвращение образования токсичных продуктов взаимодействия компонентов хладоносителя с материалом стенок оборудования. В таблице 3 приводятся примеры значений LD50 и ПДК для таких продуктов взаимодействия в сравнении с исходными компонентами солевых хладоносителей. Из таблицы 3 видно, что пропиленгликолевые хладоносители являются наиболее безопасными по всем приведённым показателям. Пропиленгликоль является пищевой добавкой со значением LD50 более 20000 мг/кг [2].

    Вода как наиболее безопасный хладоноситель

    Что касается практики применения хладоносителей, то, как известно, наиболее безопасным и эффективным хладоносителем является вода. Она обладает прекрасными теплофизическими свойствами, низкой стоимостью, экологичностью, нетоксичностью, а также пожаро- и взрывобезопасностью. Однако ее эксплуатация связана с рядом проблем. Первая – высокая коррозионная активность по отношению к металлам и, особенно, к черным сталям. Вторая проблема – склонность к выпадению из воды солей жесткости и продуктов коррозии и образованию слоя отложений из них, например, на поверхности стенок каналов охлаждения формующего инструмента. При этом в охлаждающем контуре снижается теплопроводность, растет его гидравлическое сопротивление, в итоге затрудняется процесс теплообмена. А из-за неравномерности скорости выпадения отложений на различных участках каналов охлаждения теплопроводящие свойства становятся нестабильными и неравномерными по теплообменной поверхности [3].

    Эффективным, экологически безопасным и экономически оправданным способом снижения коррозионной активности воды по отношению к металлам и ингибированию процесса отложения солей на металлических поверхностях является добавление к воде соответствующего ингибитора. Такой ингибитор разработан специалистами ООО «Спектропласт» в виде водорастворимого комплекса присадок серии СП-В. Жидкий концентрат СП-В вводится непосредственно в воду в количестве от 1 до 5 масс.% для снижения ее коррозионной активности и склонности к выпадению солей жесткости. Важным преимуществом использования разработанных концентратов является их способность защищать металлы одновременно и в ситуации, когда теплообменник отключен от системы без слива воды, и в случае, когда слив произведен. При этом не требуется специальной просушки и консервации каналов, так как концентраты ингибиторов способны защищать поверхность металла не только в воде, но и во влажной атмосфере более шести месяцев.

    На рис.3 представлены фотографии полупогруженных образцов после 3-х лет экспозиции. Наглядно видно, что обрезок трубы из стали в воде с ингибиторами СП-В за 3 года практически не пострадал от коррозии ни в надводной, ни в подводной своих частях. Такой же образец в воде без ингибитора коррозии за то же время оказался существенно разъеден коррозией. Это подтверждают данные, приведенные в таблице 4.

    Проведенные нами сравнительные испытания показали, что скорость образования отложений на внутренней поверхности образца в виде трубы D16 мм из углеродистой стали в циркулирующей в замкнутом контуре воде с общей жесткостью 10 моль/м3 составляет при 20оС – 0,6 мм в год, при 70оС – 2,6 мм в год. Техническая вода с такой жесткостью и такой температурой нередко встречается в системах кондиционирования и отопления. Эти данные обосновывают значения толщины слоя отложения для проведения ускоренных расчетов тепловых потоков в 1 мм. Введение ингибиторов СП-В в воду в количестве 5 масс.% замедлило процесс отложения солей в 12 и 5 раз соответственно при тех же условиях.

    Интенсивность теплообмена зависит от разности температур и скорости движения воды в каналах охлаждения. Гидравлическое сопротивление каналов охлаждения зависит от пропускного сечения и шероховатости поверхности. Отложения на внутренних стенках каналов охлаждения уменьшают пропускное сечение, создают шероховатости и ухудшают условия для передачи тепла, что приводит к возрастанию энергозатрат.

    Проведенные нами оценочные испытания показывают, что с образованием на поверхности канала охлаждения слоя отложений толщиной в 10% от диаметра канала его гидравлическое сопротивление возрастает приблизительно на 180%.

    Стабилизация теплообмена за счет использования оборотной воды с добавлением ингибиторов коррозии и отложения солей жесткости на стенках охлаждающего контура оправданы технически и экономически. Это позволяет на стадии проектирования системы при выборе материала заменить дорогостоящую нержавеющую сталь на более дешевую и более теплопроводную углеродистую. При этом возможна экономия на мероприятиях по обслуживанию, межремонтных прогонах, консервации системы.

    Концентраты ингибиторов коррозии и отложения солей серии СП-В имеют необходимую документацию для применения в условиях РФ, в т. ч. зарегистрированные в Госстандарте ТУ 2415-006-11490846-04, санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.01.12.241.П.12016.05.4 от 31.05.04 для промышленного применения в качестве добавки для воды, используемой при термостатировании технологических процессов химических и пищевых производств, разрешение ОАО «Моспроект» 03/ОСТО от 10.03.2005 на использование концентрата СП-В в качестве добавки для воды при проведении работ по монтажу, пусконаладке, ремонту (в т.ч. очистке), модернизации, эксплуатации инженерных систем, коммуникаций и оборудования жилых домов и общественных зданий и сооружений.

    Таким образом, применение ингибиторов коррозии и отложения солей жесткости СП-В позволяет:

    – улучшить теплообмен за счет лучшей теплопроводности элементов системы из углеродистой и других конструкционных сталей из-за отсутствия или уменьшения толщины слоя отложений на стенках оборудования;

    – уменьшить затраты при хранении на консервацию и расконсервацию элементов системы;

    – уменьшить энергозатраты и трудозатраты на эксплуатацию системы кондиционирования и отопления.

    Особенности эксплуатации хладоносителей для отрицательных температур

    Однако диапазон применения воды в качестве хладоносителя ограничен положительным интервалом температур по Цельсию. В интервале температур от +2 оC до –20 оC доминируют спирты. Одноатомные спирты этанол и метанол пожаровзрывоопасны, а метанол, кроме того, еще и ядовит. Из двухатомных спиртов в системах кондиционирования и отопления нашли применение этиленгликоль (МЭГ) и пропиленгликоль. На основе первого из них выпускаются антифризы для двигателей внутреннего сгорания, в т.ч. тосолы. Этиленгликолевые хладоносители эксплуатируются в холодильном оборудовании ряда спортивных объектов. Однако хладоносители на основе МЭГ по токсикологической и экологической оценкам являются одними из самых опасных. При протечках отравляются грунтовые воды и водоемы. ЕС собирается вводить запрет на применение МЭГ на всех пищевых производствах, а в ряде европейских стран (Чехия, Швейцария) такой запрет уже существует. В связи с вероятным вступлением России в ВТО компаниям, использующим сегодня этиленгликоль, придется проводить модернизацию оборудования.

    В связи с повышенными тербованиями к надежности работы теплообменного оборудования вблизи 0°C отдельно выделен температурный интервал от +5 °C до –5 °C. Для этого температурного интервала нами предложен новый экономичный хладоноситель торговой марки ТЭЖ на основе ацетата калия, разработанный как для закрытых, так и (что следует особо выделить) для открытых холодильных систем.

    В интервале температур от –20 °C до –40 °C широкое распространение получили солевые хладоносители на основе органических и неорганических солей. Последние широко распространены из-за сочетания их доступности, дешевизны и хороших теплофизических характеристик, однако содержащиеся чаще всего в них хлориды обладают высокой коррозионной активностью, а катионы при высоких концентрациях склонны к накипеобразованию. Продукты взаимодействия хлоридов со стенками оборудования (нержавеющая сталь, медь и др.) обладают большей токсичностью, чем сам хладоноситель.

    Органические соли имеют относительно малый промышленный опыт эксплуатации (около 15 лет для ацетата калия и около 9 лет для формиата калия). Некоторые особенности и проблемы их эксплуатации нами уже рассмотрены в профильных журналах [4, 5]. При этом ранее отмечалось, что эти хладоносители не переносят изменения своего состава. А состав изменяется по причине накопления в нем продуктов коррозии и проникающих в него охлаждаемых продуктов. Примерами может служить коррозионное разрушение пяти испарителей на Аксайском пивзаводе, а также ситуация, сложившаяся на 18-м хладокомбинате (Москва). За 4 месяца эксплуатации содержание ионов металлов в составе хладоносителя составило 0,17 мг/л, т.е. состояние вроде бы удовлетворительное. Однако у хладоносителя в одном контуре рН = 11, а в другом рН=11,7. Такая щелочность хладоносителя вызвала на стенках оборудования локальные виды коррозии (язвенную, щелевую, питинговую и др., которые опасны тем, что действуют на малой площади) и привела за короткое время к перфорированию металла. До обнаружения сквозной коррозии система фактически эксплуатировалась менее 18 месяцев.

    Об утилизации хладоносителя и о связанных с этой процедурой экологических проблемах задумываются сегодня редко, однако стоимость утилизации, например этиленгликолевых хладоносителей, равна примерно половине цены нового хладоносителя.

    Следует отметить, что в России промышленные пропиленгликолевые хладоносители серийно выпускаются с 1998 года, а под маркой ХНТ с 2002 года [6]. Всего по России эксплуатируют хладоносители серии ХНТ более 150 предприятий и социально значимых объектов.

    С 2007 года для заправки систем кондиционирования и отопления производится хладоноситель на основе пропиленгликоля с пониженной вязкостью серии ХНТ-НВ для применения в т.ч. на предприятиях пищевой промышленности. Вязкость хладоносителя ХНТ-НВ при температуре –40оС приблизительно в три раза ниже чем других, известных в настоящее время применяемых в промышленности пропиленгликолевых хладоносителей (таблица 5). Согласно экспертным заключениям протокола токсикологической оценки ХНТ-НВ относится к 4 классу опасности по ГОСТ 12.1.007–76 при внутрижелудочном пути поступления. ХНТ-НВ позволяет заменить этиленгликолевый хладоноситель на пропиленгликолевый без замены холодильной установки. В отличие от солевых хладоносителей на органических солях его можно применять в контурах открытого типа.

    Мониторинг – важная составляющая эксплуатационной надежности и безопасности

    Важное значение для безопасности эксплуатации хладоносителя имеет возможность восстановления, поддержания и, при необходимости, корректировки свойств хладоносителя, что особенно актуально для крупных систем охлаждения. Предупредить аварийные ситуации позволяет регулярное проведение в процессе эксплуатации мониторинга состояния хладоносителя. Мониторинг оказывает непосредственное влияние на срок службы вторичного контура и на поддержание его теплообменных характеристик. Мониторинг – это контроль основных свойств хладоносителя, влияющих на надежность и стабильность работы вторичного контура в процессе эксплуатации. Содержание мониторинга (контролируемые параметры и методы контроля) приведено на рис.4. Поэтому столь важен выбор 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 он при мониторинге, в части коррекции состава, один сможет помочь, а не навредить работоспособности хладоносителя.

    Например, на ЗАО МПБК «Очаково» (г. Москва) хладоноситель вторичного контура эксплуатируется с 1997 года. Емкость системы более 220 м3. Благодаря мониторингу было обнаружено попадание охлаждаемого продукта в хладоноситель. Специалисты ООО «Спектропласт» разрабатывали и производили корректирующие составы, введение которых в хладоноситель улучшало его свойства. Добавка двух тонн корректирующего состава(около 5% масс) позволила избежать принятой в таких случаях в Европе полной замены более двухсот тонн хладоносителя на новый.

    Выводы

    Таким образом, повышение эксплуатационной надежности и безопасности систем охлаждения с промежуточным хладоносителем и снижение эксплуатационных расходов достигаются комплексным подходом, включающим:

    – выбор оптимальных типов хладоносителей и хладагентов, представляющих минимальную угрозу для живого, в т.ч. при аварийной разгерметизации системы и вероятном попадании хладоносителя на обслуживающий персонал, в охлаждаемую продукцию, в т.ч. в пищевую; в воздушную среду, в почву и водоемы;

    – выбор конструкционных металлических и уплотнительных материалов холодильного оборудования, учитывающий не только достаточные для решаемых задач прочностные и теплофизические характеристики, но и устойчивость материалов в процессе эксплуатации к химическим продолжительным воздействиям, отложению накипи и коррозионных слоев, а также к наводораживанию и усталостным явлениям;

    – проведение регулярного мониторинга и биомониторинга состояния вторичного контура холодильного оборудования в процессе эксплуатации хладоносителя.

    Литература

    1. Прозоровский С. В., Покровский В. И., Тартаковский И. С. Болезнь легионеров. Легионеллез. – М.:Медицина, 1984. – 286 с.

    2. Шаповаленко А. Я., Свешников А. В., Зенкин И. Ф. Новый хладоноситель в старом оборудовании – способ повышения эксплуатационной безопасности предприятий // Холодильная техника. – 2006. – № 8. –С. 40–43.

    3. Генель Л. С., Галкин М. Л., Корнеева Т. М. Снижение коррозионной активности воды при термостатировании пресс-форм // Пластикс. – 2003. – № 7-8. – С. 47-48.

    4. Генель Л. С., Галкин М. Л. Выбор промежуточных хладоносителей // Холодильный бизнес.– 2004.–№ 12.– С. 31-35.– 2005.– №1. – 2005. –№ 1.– С. 17-20.

    5. Генель Л. С., Галкин М. Л. Состояние и тенденции развития европейского рынка хладоносителей //Холодильный бизнес. – 2006. – № 12. – С. 16-19.

    6. ТУ 2422-004-11490846-02. Хладоносители на основе водного раствора пропиленгликоля.

    7. ГОСТ 28084–89. Жидкости охлаждающие низкозамерзающие.

  • © «Московский институт энергобезопасности и энергосбережения»
    Полное или частичное использование материалов возможно только с разрешения редакции.

    Зарегистрирован в Федеральной службе по надзору в сфере массовых коммуникаций, связи и охраны культурного наследия. Свидетельство ПИ № ФС77-28742

    webmaster: webmaster@endf.ru