Чем опасна аммиачная холодильная установка

Аммиак в холодильной индустрии – оценка рисков

Доминирующим среди природных хладагентов является аммиак, известный как R-717, который благодаря своим превосходным тепловым характеристикам и высокой удельной холодопроизводительности широко используется как рабочее вещество в крупных холодильных установках на предприятиях многих отраслей промышленности. Например, для технология хранения фруктов в регулируемой газовой среде, которая является самым современным способом хранения сельскохозяйственной скоропортящейся продукции, необходимо использование аммиачных машин. Но т.к. идеального хладагента пока не придумали, использование аммиачных холодильных установок все же предполагает определенные риски.

Риски использования аммиачных холодильных установок

Бытует мнение, что аммиак – ядовитое, пожаро- и взрывоопасное вещество, использование которого необходимо сократить. На деле же аммиак как хладагент обладает непревзойденными качествами, сравнимыми и даже превышающими качества фреонов, которые до своего запрета Монреальскими протоколами считались идеальным рабочим веществом холодильной машины. Современные холодильные агрегаты продуманы до мелочей, при проектировании аммиачной холодильной установки действуют строгие нормы, а установленные правила четко и недвусмысленно определяют последовательность действий персонала для безопасной эксплуатации аммиачных систем. И на самом деле причиняемый вред здоровью людей при контакте с аммиаком в холодильных установках скорее исключение, чем правило, и проистекает от грубых нарушений техники безопасности вследствие человеческого фактора.

Согласно статистике, шанс умереть из-за воздействия аммиака в течение года есть только у двух человек из 10 миллиардов (от удара молнии – у 32 из миллиарда, от травм на производстве – у 5 из миллиона, от дорожных происшествий – у 5 из 100000). Этими двумя людьми могут стать только обслуживающий персонал, который в момент утечки осуществлял обслуживание аммиачных холодильных установок и находился в непосредственной близости от ее источника, не имея ни защитного снаряжения, ни средств индивидуальной защиты. В современных условиях это маловероятно, т.к. за техникой безопасности при эксплуатации аммиачных холодильных установок ведется строгий контроль. И даже в случае возникновения утечки серьезного ущерба не происходит.

Запах как сигнализатор утечки аммиака в холодильных установках

Высокая удельная теплота парообразования и парциальное давление аммиака затрудняют его испарение, поэтому в случае возникновении утечки она не может быть большой. А сильный характерный запах служит дополнительным сигналом опасности, предупреждая даже о сверхмалых утечках и становясь нестерпимым задолго до опасной для жизни концентрации аммиака. Так характерный неприятный запах начинает чувствоваться уже при концентрации в 0,0002%, при 0,0005% у непривыкшего человека появляется непреодолимое желание покинуть загазованный участок, а при 0,001% появляется паника. Однако все эти концентрации не являются опасными для человеческого здоровья и в некоторых странах даже являются допустимыми для работы персонала: например, в США только концентрация в 0,003% является достаточной для использования персоналом защитных масок и другого снаряжения. Вредные последствия для человека возникают только при концентрации в 0,004-0,007%, когда наступают раздражение глаз и дыхательной системы, и при концентрации в 0,02-0,05% при длительном воздействии возможен смертельных исход. Данные цифры показывают, что даже в случае аварии персонал холодильной установки имеет шанс не только спастись, но и устранить опасную ситуацию.

Пожар на аммиачных холодильных установках

Хотя аммиак классифицируется как пожаро- и взрывоопасное вещество, самовоспламениться он может только при очень высоких температурах (выше 651°C) и высокой концентрации его в воздухе (15-28%), т.е. напряжения оборудования, используемого в холодильных системах, недостаточно для воспламенения его паров. К тому же аммиак способен гореть только в замкнутых пространствах, на открытом воздухе становясь неопасным из-за малой скорости распространения пламени и большого количества энергии, которая необходима для его горения. Даже при возгорании аммиака уже через несколько секунд (в зависимости от объема помещения) соотношение атмосферного кислорода становится пожаробезопасным и пламя, если оно не успеет перекинуться на другие горючие вещества, гаснет само. Продуктами сгорания аммиака являются полностью безопасные для окружающей среды азот и вода, что выгодно отличает этот хладагент от фреонов, которые до сих пор используются в холодильных установках.

Таким образом, при хорошей вентиляции в машинном отделении, наличии автоматической сигнализации и противоаварийной защиты, а также соблюдении правил безопасности при эксплуатации аммиачных холодильных установок (в т.ч. запрета использования открытого огня и хранения горючих материалов в машинных помещениях) использование аммиака в качестве хладагента не вредит ни здоровью персонала, ни экологии.

Использование аммиака в промышленных холодильных установках

В настоящее время на отечественных и зарубежных крупных промышленных предприятиях широко используются аммиачные холодильные системы. Являясь одним из продуктов жизнедеятельности живых организмов, аммиак экологически чист и чрезвычайно распространен в природе. Именно его доступность обеспечивает минимизацию расходов на первичную заправку и последующие дозаправки системы, особенно в сравнении с дорогими фреонами, и делает использование аммиака экономически выгодным в крупных промышленных установках. Кроме того, аммиак в сравнении с фреонами является менее текучим веществом и имеет высокую активность по отношению к меди, поэтому аммиачные магистрали выполняются из железа и стали, что тоже сокращает расходы на организацию холодильной установки. С другой стороны, именно низкая текучесть ограничивает применение аммиака для небольших холодильных машинах, однако крупные аммиачные установки рентабельны в использовании.

Применение аммиака абсолютно безопасно для окружающей среды: он не разрушает озоновый слой и не способствует созданию парникового эффекта. А выдающиеся термохимические качества, обеспечивающие высокую холодопроизводительность, делают аммиачные холодильные установки эффективными и прибыльными.

Источник

Аммиак

Физико-химические свойства:

Воздействие на человека и окружающую среду

Группа опасности хладагента: B2 (по ГОСТ EN 378-1-2014), B2L (по ГОСТ 33662.1-2015 (ISO 5149-1:2014)) – токсичный, трудногорючий.

При концентрации аммиака в воздухе от 15% до 28% возникает опасность взрыва. Из-за резкого запаха утечка аммиака в помещении будет замечена задолго до достижения такой концентрации. На открытом воздухе такая концентрация не может быть достигнута, так как аммиак легче воздуха и в случае утечки улетучивается.

При реакции аммиака с ртутью, галогенами, гипохлоритами, окисями азота и некоторыми органическими соединениями могут образовываться взрывчатые и нестабильные соединения.

Значения предельно допустимой концентрации (ПДК) аммиака (СанПиН 1.2.3685-21)

Получение

Промышленный способ получения аммиака изобретен Фрицем Габером и Карлом Бошем (процесс Габера). Он заключается в том, что смесь азота и водорода под высоким давлением пропускается через нагретый катализатор (пористое железо с примесями оксидов алюминия, калия и кальция). Полученный в ходе реакции аммиак удаляют охлаждением, а непрореагировавшие водород и азот возвращают в колонну синтеза.

Промышленное получение аммиака таким способом требует значительного количества энергии, по сделанной в 2010 году в США оценке для производства 1 т аммиака тратилось около 4700 кВт*ч тепловой энергии, 415 кВт*ч электроэнергии, а также эквивалент энергии в 6300 кВт*ч в виде метана, используемого как источник водорода.

В качестве хладагента используется аммиак чистоты 99,98% (марка А), в котором практически отсутствуют вода и другие примеси.

Применение

Аммиак имеет долгую историю применения в холодильном оборудовании. В номенклатуре хладагентов (R-нумерации) ему присвоено обозначение R717.

В 1872 г. в США Дэвид Бойль первым применил аммиак в качестве хладагента для парокомпрессионной холодильной установки.

В 1876 г. Карл фон Линде построил компрессионную холодильную машину для пивоваренного завода в Триесте (тогда принадлежавшем Австро-Венгрии). В качестве хладагента машина использовала аммиак.

Аммиак применялся и в первом бытовом кондиционере, выпущенном в США в 1929 году. Чтобы избежать неприятного запаха в случае утечки хладагента, холодильная машина размещалась на улице, а охлаждаемая ею вода подавалась к установленному в помещении вентиляторному доводчику.

К преимуществам аммиака следует отнести более высокие значения объемной холодопроизводительности и коэффициента теплоотдачи, чем у синтетических хладагентов (ХФУ, ГХФУ, ГФУ), что позволяет использовать трубы меньшего диаметра.

Высокая растворимость в воде (в одном объеме воды растворяется более 700 объемов аммиака) исключает замерзание влаги в системе.

Резкий запах позволяет легко обнаружить утечку аммиака.

При этом к материалам холодильной системы предъявляются особые требования. Аммиак (особенно в присутствии воды) реагирует с медью, цинком и их сплавами, алюминием, оловом, растворяет многие виды резины и пластмасс.

Наиболее распространенными видами оборудования, в котором в качестве хладагента используется аммиак, являются холодильные установки парокомпрессионного и абсорбционного типов.

Абсорбционные холодильники

Принцип действия абсорбционной холодильной установки заключается в следующем. Установку заполняют раствором аммиака в бидистиллированной воде (массовая концентрация аммиака — 4-36%) и водородом, создающим противодавление аммиачному пару.

Водоаммиачный раствор постоянно нагревается в кипятильнике. Так как температура кипения аммиака значительно ниже температуры кипения воды, то в процессе выпаривания раствора из кипятильника выходят концентрированные пары аммиака. На пути к конденсатору пары хладагента проходят специальный теплообменный аппарат — дефлегматор, где происходит их частичная конденсация. Образовавшийся конденсат стекает в слабый раствор, выходящий из кипятильника, а более концентрированные пары поступают в конденсатор. Высококонцентрированный жидкий аммиак из конденсатора поступает в испаритель, где закипает, отбирая тепло из холодильной камеры. Слабый раствор из кипятильника поступает в абсорбер и охлаждается окружающей средой до температуры начала абсорбции. Выходящие из испарителя пары хладагента также поступают в абсорбер навстречу движущемуся охлажденному слабому раствору. В абсорбере происходит процесс поглощения (абсорбции) паров хладагента слабым раствором. При этом в окружающую среду выделяется некоторое количество теплоты. Образовавшийся в абсорбере концентрированный раствор термонасосом передается в кипятильник.

Циркуляция раствора и хладагента осуществляется непрерывно, пока работают кипятильник и термонасос. Таким образом, в абсорбционном холодильном агрегате роль всасывающей части механического компрессора выполняет абсорбер, а нагнетательной — термонасос.

Преимущество холодильных установок абсорбционного типа — возможность использовать в качестве источника энергии бросовое тепло технологических процессов и тепло от сжигания дешевого газа. Кроме того, в таких установках отсутствуют движущие части и запорные вентили, что увеличивает долговечность приборов и делает их работу бесшумной.

Аммиачные холодильные установки абсорбционного типа применяются, в частности, в качестве бытовых холодильников. Кроме того, существуют проекты водно-аммиачных холодильных установок для автомобильных рефрижераторов, использующих в качестве источника тепловой энергии тепло выхлопных газов.

Адсорбционный холодильный цикл

Еще одним примером системы холодоснабжения на основе аммиака, использующей бросовое тепло выхлопных газов, может служить проект системы кондиционирования пассажирских автобусов, разработанный в США.

Адсорбционный холодильный цикл (не путать с абсорбционным) основан на способности сорбента — например, активированного угля — поглощать пары хладагента при низких значениях температуры и давления, а при нагревании—выпускать уже с высоким давлением. Эффект компрессии создается циклическим нагреванием и охлаждением сорбента и хладагента, в результате чего возникает исходящий поток хладагента с высоким давлением в «горячей» фазе десорбции (нагнетание) и входящий поток с низким давлением в «холодной» фазе адсорбции (всасывание). Если использовать несколько адсорберов, циклы нагрева-охлаждения в которых будут идти в противофазе, получится создать непрерывный поток хладагента. Для этого каждый адсорбер надо будет оснастить обратными клапанами: одним—чтобы направлять пары низкого давления от испарителя и не пускать обратно хладагент высокого давления, другим – чтобы направлять хладагент высокого давления в конденсатор, и не пускать назад в адсорбер.

Преимущество такого решения — возможность использовать в качестве источника энергии бросовое тепло выхлопных газов, не отбирая полезную мощность у двигателя транспортного средства. Кроме того, единственные движущиеся части адсорбционной установки – клапаны, что снижает механические потери и обеспечивает низкий уровень шума и долгий срок службы.

Парокомпрессионные холодильные установки на аммиаке

В парокомпрессионных аммиачных холодильных установках используется парокомпрессионный цикл охлаждения: хладагент отбирает тепло от охлаждаемого тела, переходя из жидкого состояния в газообразное; затем сжимается механическим компрессором; после чего под высоким давлением конденсируется, отдавая тепло, например, атмосферному воздуху или охлаждающей воде; далее через расширительное устройство поступает обратно в испаритель, после чего цикл повторяется.

Различают холодильные установки непосредственного и промежуточного охлаждения. В первом случае испаритель установки отводит тепло непосредственно от охлаждаемой среды или объекта. Во втором случае хладагент охлаждает промежуточный холодоноситель, который затем подается в теплообменный аппарат охлаждаемого помещения или же разбрызгивается в воздухе охлаждаемого помещения, охлаждая его и охлаждаемый объект.

Существует множество различных вариантов исполнения парокомпрессионных аммиачных холодильных установок.

Холодильные установки контейнерного типа

Применение аммиачных холодильных установок контейнерного типа позволяет обойтись без стационарного машинного отделения.

Установки выполнены в виде модулей, которые на месте монтажа собираются в единый блок-бокс. Сверху устанавливается испарительный конденсатор с встроенным насосом и поддоном для оборотной охлаждающей воды.

Конструкция позволяет использовать установки в качестве чиллеров для холодоснабжения технологических линий и охлаждения производственных помещений, а также компрессорно-конденсаторные агрегаты для работы с выносными испарителями, в том числе и с насосной циркуляцией хладагента. В качестве испарителей могут выступать:

Судовые парокомпрессионные холодильные установки

После вступления в силу запрета на использование озоноразрушающих веществ в холодильном оборудовании судов, построенных после 1 января 2020 года, аммиак, наряду с диоксидом углерода, стал одним из наиболее популярных хладагентов для новых судовых холодильных установок.

Производственные судовые холодильные установки (обеспечивающие охлаждение и хранение свежевыловленной рыбы, получение льда для охлаждения рыбы, замораживание и хранение мороженой рыбы, охлаждение и хранение соленой рыбы и консервов) обычно имеют структуру, при которой каждому охлаждаемому объекту (или объектам с одинаковой температурой испарения) соответствует индивидуальная холодильная машина.

Современная судовая холодильная установка отличается малым объемом заправки хладагентом — в три-пять раз меньше, чем стационарная.

Так как морской регистр РФ запрещает применение аммиака для непосредственного охлаждения трюмов, на судах, оборудованных аммиачными холодильными установками, обычно реализуется рассольное охлаждение трюмов и твиндеков. Для хранения мороженых продуктов чаще всего применяют батарейное охлаждение. Для охлаждения продуктов, как правило, используют воздушное охлаждение.

Непосредственное охлаждение аммиаком встречается в аппаратах для замораживания рыбы и ледогенераторах.

В соответствии с правилами морского регистра РФ аммиачные холодильные установки размещаются в отдельных газонепроницаемых помещениях с двумя выходами, один из которых ведет непосредственно на открытую палубу. В машинном отделении и помещениях, где расположено технологическое оборудование, в котором используется аммиак, предусматриваются устройства водяного орошения и водяные завесы у выходов на случай прорыва аммиака из системы или пожара.

Машинное отделение должно иметь систему поглощения аммиака, включающую вытяжные и аварийные вентиляторы, аммиакопоглощающее устройство и бак с водой. Содержание аммиака в воздухе машинного отделения, в вытяжном воздуховоде аммиакопоглощающего устройства, в помещении, где хранится запас аммиака, и в аварийных трубопроводах должно непрерывно контролироваться.

Аммиак в каскадных холодильных системах

Помимо использования в качестве обособленных агрегатов, парокомпрессионные аммиачные холодильные установки могут выполнять функцию высокотемпературного контура каскадных систем. Хладагентом низкотемпературного контура таких систем, как правило, служит диоксид углерода (CO₂). Различные варианты подобных систем рассматриваются в отдельном разделе.

Источник

Аммиачные холодильные установки.

У многих людей есть устоявшееся мнение, что аммиачные холодильные установки — это устаревшая технология, а современные системы должны быть на фреоне или СО₂ (углекислоте). Наиболее вероятно, что такое ассоциативное восприятие основано на том, что в большинстве случаев мы видим большие компрессорные отделения со старым оборудованием 70х..80х годов постройки, а резкий запах аммиака в таких помещениях усиливает такую ассоциацию.

В отличие от традиционных фреонов аммиак является опасным хладагентом, но нельзя отрицать, что большинство действующих холодильных систем большой мощности построены на применении аммиачного оборудования. Также абсолютно очевидный факт, что новые промышленные объекты (пищевые производства, нефтехимические, металлургические и пр.), где холодильная мощность в несколько мегаватт, строятся также с аммиачными холодильными установками.

Почему в больших промышленных установках применяется аммиак, а в прочих используется в основном фреон? Чтобы ответить на этот вопрос, надо подробно разобрать все преимущества и недостатки применения аммиака в холодильных установках.

Энергоэффективность аммиачных холодильных установок.

Здесь важно делать правильное сравнение – «прочие равные» в действительности должны быть одинаковыми: температура кипения, температура конденсации, тип системы (соразмерный КПД компрессоров, наличие экономайзера, одна ступень сжатия или бустерная система и т.д.).

Если делать прямое сравнение аммиака с наиболее популярными марками фреонов, то:

Капитальные затраты на аммиачные холодильные системы.

В этой части аммиак проигрывает традиционным системам на фреоне, а также современным системам на СО₂, но в меньшей степени. Капитальные затраты на транскритические системы СО₂ близки по стоимости к аммиачным холодильным системам.

При прочих равных аммиачные холодильные системы дороже по нескольким причинам:

Справедливости ради надо заметить, что аммиачные холодильные системы кое в чём дешевле, хотя это удешевление в общем объёме не перевешивает вышеприведённые удорожания:

Из-за введения квот на фреоны в связи с глобальным потеплением, цена на традиционные фреоны неуклоннно растет, что влияет на весь рынок холодоснабжения в целом.
Читайте подробнее об этом в нашей статье «Запрет фреонов».

Эксплуатация аммиачных холодильных установок.

Периодически персонал должен проходить обучение и аттестацию. Один раз в пять лет аттестацию проводит Ростехнадзор (для некоторых ОПО один раз в три года). И каждый год должна производится проверка знаний (это в ответственности администрации предприятия). Большинство АХУ имеют третий класс опасности, что требует получение Лицензии Ростехнадзора (РТН) на право эксплуатации ОПО. Для четвёртого класса опасности Лицензия РТН не нужна, постановка на учёт в уведомительном порядке.

Современные АХУ имеют высокий уровень надёжности и автоматизации, в том числе для предупреждения и локализации аварийных ситуаций. Новые правила ФНП №500 от 07.12.2020г ( Скачать приказ ) напрямую обязывают к выполнению многих мероприятий, позволяющих сократить участие штатного персонала в устранении возможных аварий. Так, например, в них прописана обязательная установка автоматических отсечных клапанов, которые перекрывают часть системы с возможной утечкой. Так или иначе устаревшие аммиачные системы, где для проведения оттайки воздухоохладителей машинист АХУ должен идти и крутить задвижки, требуют значительные постоянные расходы на эксплуатирующий персонал. Современные АХУ не требуют такого большого персонала для обслуживания. А современные АХУ с малой (дозированной) заправкой аммиака имеют минимальный штатный персонал для обслуживания или не требуют его в принципе.

Для сравнения рассмотрим три различных АХУ с холодильной мощностью около 5МВт:

Главные характеристики системы: конденсаторы испарительного типа или градирни с открытыми трубными конденсаторами, насосная схема с прямой подачей аммиака на все потребители. Штатный эксплуатирующий персонал – 21 человек (начальник АХУ – 1 чел., мастер смены – 3 чел., слесари – 3 чел., слесари КИПиА – 2 чел., машинисты – 12 чел.).

Главные характеристики системы: конденсаторы испарительного типа, насосная подача аммиака внутри машзала АХУ, среднетемпературные потребители запитаны от контура с антифризом, низкотемпературные потребители запитаны от субкритической системы СО2). Штатный эксплуатирующий персонал – 11 человек (начальник АХУ – 1 чел., мастер смены – 3 чел., слесарь КИПиА – 1 чел., машинисты – 6 чел.).

Главные характеристики системы: градирни и пластинчатые конденсаторы, гравитационная схема с пластинчатыми испарителями, потребители запитаны от антифриза или углекислоты СО2 (углекислота может быть хладагентом в субкритическом цикле или хладоносителем – традиционный японский вариант системы холодоснабжения). Штатный эксплуатирующий персонал – около 5 человек (начальник АХУ – 1 чел., слесарь КИПиА – 1 чел., операторы – 3 чел.). При высоком уровне автоматизации и выполнении необходимых мероприятий по промышленной безопасности возможна эксплуатация АХУ без штатного персонала предприятия, но с привлечением специализированной организацией для выполнения регламентных работ по техническому обслуживанию и оперативному реагированию в случае возможных аварийных ситуаций.

Данная статья расходов зависит от даты ввода в эксплуатацию, типа системы и оборудования АХУ.

Для сравнения приводятся реальные данные по АХУ с холодильной мощностью около 5МВт:

На примере АХУ с холодильной мощностью 5МВт годовые затраты по владению компрессоров оценочно будут составлять:

3..4млн руб для системных ремонтов компрессоров старых предприятий, ввод в эксплуатацию которых был осуществлён в 70х..80х..90х годов прошлого века.

1..3млн руб для обслуживания европейских винтовых компрессоров, ввод в эксплуатацию которых был осуществлён в 00х..10х годах текущего столетия.

2..4млн руб для обслуживания европейских поршневых компрессоров, ввод в эксплуатацию которых был осуществлён в 00х..10х годах текущего столетия.

1..2млн руб может стоить разовый ремонт одного компрессора европейского производства, если он получил серьёзные повреждения и при этом является ремонтопригодным.

Практически все аммиачные системы за редким исключением работают с теплообменниками испарительного охлаждения. Для отвода тепла конденсации используется вода в открытом контуре, которая испаряется и требует не только постоянной подпитки, но и водопоподготовки. Основное оборудование — это градирни или конденсаторы испарительного типа. Применение оборотной воды для отвода тепла конденсации обусловлено двумя причинами:

Испарение оборотной воды на поверхности теплообмена и постоянная комфортная температура для роста биологии в открытом водяном контуре требует предварительной подготовки воды для подпитки, а также периодической продувки (слив части оборотной воды с целью снижения солесодержания, в среднем около 40% от объёма подпитки).

Система подготовки воды, как правило, требует закупки химии:

Годовые затраты на закупку таких реагентов будут составлять около 1..1,5млн руб. Плюс затраты на закупку самой воды для подпитки системы (испарение и продувка), примерно соизмеримы с закупкой химии, если Заказчика закупает воду в водоканале. Цена реагентов зависит от первичного химического анализа воды и качества закупаемых реагентов и может варьироваться в пределах 30..70руб на 1м³ подпитки системы.

Если у Заказчика нет системы водоподготовки или по каким то причинам водоподготовка не работала, то ежегодные затраты на очистку теплообменников от солей жёсткости могут составлять соизмеримые затраты с закупкой химии для водоподготовки, но через несколько лет теплообменники придут в полную негодность и их придётся заменить полностью, что будет стоить около 10млн руб и более. Также важно контролировать процесс продувки (обессоливания), что в современных системах делается автоматически по датчику электропроводности воды. Отсутствие системного или периодического дренирования оборотной воды также может повлечь за собой серьёзные неисправимые проблемы с теплообменниками после которых не останется вариантов кроме как их заменить полностью.

Обслуживание систем газоанализа и противоаварийной защиты осуществляется службой эксплуатации Заказчика или сторонней специализированной организацией, что более принято в последнее время. Важно чтобы у обслуживающего персонала была аттестация РТН по промбезопасности для выполнения данных работ. Стоимость обслуживания данных систем в первую очередь зависит от количества датчиков газоанализаторов и автоматических запорных устройств, что в свою очередь определяется площадью всех помещений, где есть аммиачное оборудование и аммиакопроводов.

Тщательное внимание к размещению газовых датчиков, функциям диспетчерского управления и планированию аварийных действий приведет к созданию функциональной, подотчетной и не требующей особого обслуживания системы мониторинга зоны, которая будет соответствовать всем действующим нормам и правилам.

Для сравнения рассмотрим три различных АХУ с холодильной мощностью около 5МВт:

Источник