Лекція 8. Холодоносії

8.1 Призначення холодоносіїв та вимоги до них

Для транспортування холоду від низькотемпературних установок до споживачів використовують рідини, температура затвердіння яких істотно нижче температури кипіння. Такі речовини називаються холодоносіями .

Термін “холодоносій”, так само як і “теплоносій”, має умовний характер, оскільки тепло й холод не являють собою середовище, яке можливо “носити”.

Холодоносії, на відміну від холодоагентів, не є робочими тілами холодильного циклу, в якому холодоагенти зазнають фазових перетворень. Незавжди допустимо, щоб холодоагент безпосередньо (за рахунок свого кипіння чи інших процесів) охолоджував об’єкт холо- дильної обробки (харчову сировину, наприклад). У таких випадках краще скористатись іншим середовищем (газом, рідиною, твердим тілом), яке попередньо охолоджується холодоагентом. Щоб підкреслити відмінність холодоносія від холодоагенту, автори [40] використовують такі доречні прикметники як “вторинний”, “проміжний”. Найчастіше системами з проміжним холодоносієм використовують льодяну воду, водні розчини солей, спиртів (розсоли, розсільні системи), гетерогенну суміш води чи розсолу з лускатим льодом та інші.

У системах із проміжним холодоносієм (їх іще називають розсільними системами) холодоносій охолоджується безпосередньо у випарнику киплячим холодоагентом. Після випарника холодоносій насосом спрямовується в теплообмінник з охолоджуваним об’єктом, теплота від якого пере­дається проміжному середовищу – холодоносію. Нагрітий при цьому холодоносій спрямовують знову у випарник, де він охолоджується. Схеми систем із проміжним холодоносієм є дещо простішими, ніж схеми безпосереднього охолодження, але в них необхідно створювати нижчі температури кипіння холодоагенту.

Основні вимоги до холодоносіїв полягають у наступному: недостат- ня в’язкість для зниження гідравлічних втрат у трубопроводах; велика теплоємність для зниження витрати холодоносія й зменшення незворо- тних втрат при теплообміні; мала корозійна активність стосовно чорних і кольорових металів; хімічна стійкість; низька токсичність, не горю- чість, вибухобезпечність.

8.2 Характеристика холодоносіїв

Повітря. Одним із холодоносіїв, що широко використо- вується в холодильній техніці та технології, є повітря. Цей холодоносій екологічно безпечний, може бути охолодженим практично до будь-якої низької температури, не викликає корозії матеріалів повітроохолод- жувачів тощо. Але, з іншого боку, повітря як холодоносій має малу теплоємність, характеризується низькими значеннями коефіцієнтів тепловіддачі, відповідно потребує великих значень поверхонь теплообміну, енерговитрат на привід вентиляторів.

Вода. У цьому плані (льодяна) вода — холодоносій, що характери- зується значною об'ємною теплоємністю, забезпечує компактність систем холодопостачання, має відносно малу в'язкість, що дозволяє уникнути великих енерговитрат на привід насосів. Цей холодоносій легко транспортується на великі відстані, його можна накопичувати (акумулювати). Оптимальним є виробництво та використання льодяної води, як холодоносія, з температурою 4 - 8 °С. Здобуття ж льодяної води з температурою 0-2 °С су­проводжується утворенням шару льоду на охолоджуючих поверхнях випарни­ків, що приводить, відповідно, до зростання термічного опору та зменшення коефіцієнту теплопередачі, зростання витрат електроенергії на виробництво холоду (льодяної води). Вода є середовищем для інтенсивного розвитку мік­робіологічних популяцій, тому, при використанні її як холодоносія, необхідно вживати додаткових заходів для очищення води та системи циркуляції, знешкодження мікроорганізмів.

Недоліком води та водних розчинів є їх досить висока корозійна активність. У корозійному процесі, що виникає у водному середовищі, велику роль відіграють розчинені кисень та діоксид вуглецю. Швидкість корозії металевих поверхонь може досягати 1,5 мм/рік, причому має місце і нерівномірність корозії трубопроводів, теплообмінного обладнання, особливо при виразковій корозії.

Розсоли. У багатьох харчових, хімічних технологіях необхідно мати холодоносії з температурою, нижчою за 0 °С чи близькою до неї. Звичайно, льодяна вода в такому випадку не відповідає цій вимозі. Саме водні розчини різних солей (розсоли) залишаються рідкими при температурах нижче 0 ^оС .

Як холодоносії, в холодильних установках, зазвичай, використо- вуються розсоли, тобто розчини хлористого натрію NaСl і хлористого кальцію СаСl₂ у воді.

. Температура затвердіння цих розчинів залежить від масової концентрації солі в розчині, тобто від відношення маси солі до маси розчину. При нульовій концентрації температура затвердіння складає 0°С. При підвищенні концентрації солі в розчині температура затвердіння знижується. При деякім значенні концентрації температура затвердіння досягає мінімального значення та при подальшому підвищенні концентрації знову зростає й досягає значення температури затвердіння чистої води, тобто 0°С. Мінімальне значення температури затвердіння для розчину хлористого натрію NаСІ + Н₂О - 21,2°С відповідає критичній концентрації 0,23%. Мінімальне значення температури затвердіння для розчину хлористого кальцію СаСl₂ + Н₂O - 55°С спостерігається при критичній концентрації 0,3 %.

Дані про основні фізичні властивості розчинів хлористого натрію й хлористого кальцію наведені в табл. 8.1.

У корозійному відношенні, водні розчини солей є ще більш активними, ніж льодяна вода. При цьому меншою корозійною активністю характеризуються розчини, що виготовлені на основі дистильованої води, ніж на основі водопровідної (в декілька раз). Наявність аніонів хлору в присутності катіонів заліза, міді надає холодоносіям-розсолам корозійних властивостей, при яких псуються деталі, що виготовлені з міді, латуні і навіть із нержавіючої сталі. Місця зварювання металів піддаються корозійному розтріскуванню. Тому в розсоли, крім основної солі, додають антикорозійні речовини інгібітори, концентрація яких сягає декількох відсотків, а швидкість корозії зменшується до значень близько 0,1 мм/рік і меншої.

Саме розсоли та антикорозійні добавки в них можуть бути токсичними чи небезпечними для навколишнього середовища. Більшість з розсолів є рідинами безбарвними, що мало відрізняються від води. Тому для контролю їх витікання в навколишнє середовище в них додають різні барвники, частіше синтетичного походження.

Важливими характеристиками розсолів, інших холодоносіїв є їх в'язкість, теплопровідність, коефіцієнт тепловіддачі в режимах турбулентної чи ламінарної течій. Тому до розсолів часто добавляють речовини, що покращують ці їх характеристики. Наприклад, добавки високомолекулярних сполук полімерів лінійної структури (поліокс, поліакриламід) сприяють зниженню витрат енергії на тертя, підвищенню продуктивності насосів, пропускної спроможності трубопроводів. При збільшенні концентрації поверхневоактивних речовин, концентрації солей та при зниженні температури спостерігається зменшення порогового значення чисел Рейнольдса (Rе), починаючи з яких, має місце зменшення гідравлічних опорів. Із збільшенням числа Rе та концентрації добавки полімерів ефект зниження опору тертя зростає. Із зниженням температури розсолу ефективність добавки полімерів також значно зростає. Але коефіцієнти тепловіддачі розсолів з поверхневоактивними, полімерними добавками до поверхні теплообміну зменшуються на 20 %, що є значним впливом на теплообмін у випарниках, менш значним – у повітроохолоджувачах.

Таким чином, ідеальних холодоносіїв не існує, а їх вибір для холодильних установок, що реалізують ті чи інші холодильні технології, є не менш від­повідальним, ніж вибір холодоагенту. Очевидна зміна складу (концентрацій різних компонентів) холодоносія, а відповідно і його теплофізичних властивостей, в процесі експлуатації холодильної установки, — ще одна деталь, що ускладнює вибір холодоносія. Слід пам'ятати також, що конкретний компонент водного розчину (майбутнього холодоносія) має ту чи іншу чистоту, може мати домішки, отруйні чи небезпечні для навколишнього середовища.

Зазначені вище проблеми, якщо не звертати на них необхідної уваги, призводять до скорочення термінів роботи холодильного обладнання, збільшенню витрат на проведення профілактичних та ремонтних робіт, аж до припинення роботи холодильної установки в цілому. Найбільш вагомим тут стає погіршення якості чи псування продукції, що охолоджується, наприк- лад, за рахунок попадання в продукцію токсичних компонентів холодоносія. Особливо недоцільно вирішувати такі проблеми в харчовій промисловості, галузі переробки та зберігання сільськогосподарської сировини.

У харчових виробництвах, найбільш широкого застосування як холодоносії, одержали розчини СаСl₂, МgС1₂, К₂СO₃, що достатньо економічні за прямими витратами. Але вони дуже агресивні по відношенню до конструкційних мате­ріалів і харчових продуктів, тому витрати, пов'язані з погіршенням якості про­дуктів, можуть у багато разів перевищити прямі втрати. У цьому плані має місце тенденція заміни цих холодоносіїв на інші, що забезпечують більшу надійність роботи холо- дильного обладнання, та вигідно відрізняються за сані­тарно-гігієнічними, токсикологічними властивостями. У першу чергу, до них відносять водяні розчини багатоатомних спиртів, таких як пропіленгліколь (пропандіол), етиленгліколь, гліцерин. Мають свої переваги і водні розчини метилового та етилового спиртів, аміаку. Але ряд цих переваг поєднується з їх новим недоліком — пожежною та вибуховою небезпечністю холодоносіїв.

Таблиця 8.1 Залежність температури затвердіння водних розчинів хлористого натрію та хлористого кальцію від масової концентрації солі у розчині.

Відношення маси солі до маси розчину,	Температура	затвердіння, 0С
	NaСІ	СаСl2
0,001	0	0
0,015	-0,9
0,029	- 1,8
0,056	- 3,5
0,059		-3,0
0,115		-7,1
0,175	- 13,6
0,178		- 14,2
0,231	- 21 2
0,238		-25,7
0,263	0
0,266		-34,6
0,284		-43,6
0,299		- 55,0
0,303		- 50,6
0,312		-41,6
0,333		-37,1
0,347		- 15,6
0,373		0

Етиленгліколь є отруйною рідиною, тому його використання в харчовій промисловості є небажаним, до того ж, він вважається небезпечним для навколишнього середовища.

Розчин гліцерину має дещо більші значення динамічної в’язкості за низьких температур, при його використанні посилюються вимоги до вибору матеріалів ущільнень, гуми та пластмасових деталей.

Етиловий спирт пожеженебезпечний, має низьке значення темпе-ратури кипіння при атмосферному тиску. Метиловий спирт не тільки пожеженебез­печний, але й отрутний, дуже небезпечний для здоров’я людей, тварин.

Пропіленгліколь — безбарвна густа рідина зі слабким характерним за­пахом, змішується з водою та етиловим спиртом, має гігроскопічні властивості, використовується як харчова добавка. Температурний діапазон використання водних розчинів пропіленгліколю як тепло-холодоносія від мінус 50 °С до 107 °С. У харчових виробництвах, цей холодоносій виявився найбільш конкурентоспроможним в діапазоні температур від мінус 20 °С до мінус 1 °С.

У нашій країні ринок проміжних холодоносіїв представлений холо- доносіями на основі неорганічних солей і гліколей. У той же час, за кордоном успішно впроваджуються холодоносії нового покоління на основі органічних солей: ацетату й форміату калію, чудові властивості яких дозволили різко розширити сферу застосування систем охолодження із вторинним контуром.

Ацетат (СН₃С0₂К) та форміат (НСООК) калію за різними даними також є небезпечними для здоров'я людей. Перший з них може навіть використовуватись як харчова добавка. Вони є біорозпадаючими речовинами в навколишньому середовищі, мають вигідні корозійні властивості відносно сталі, алюмінію, бронзи, але несумісні з цинком, гальванічними покриттями тощо [40].

Водні розчини солей, рідин типу спиртів характеризуються високою ко­розійною активністю. Найбільш інтенсивна корозія спостерігається у відкритих системах, де досягається висока насиченість киснем, особливо біля границь розділу: “водний розчин — повітря”. Алюміній піддається сильній корозії у слабих та концентрованих розчинах хлориду натрію. Але швидкість корозії міді, бронзи, алюмінієвих сплавів в цілому не дуже велика — приблизно сота частка мм/рік. На швидкість корозії впливає рН розчину, у лужних розчинах швидкість корозії менша (рекомендуються розчини з рН не більше 8,5÷10). Високі значення рН мають водні розчини ацетату та карбонату калію. Хлорид калію та солі магнію можуть пошкодити харчовим продуктам, а хлорид кальцію — пошкодити стравохід, шлунок людини. Як антикорозійні добавки, у водних розчинах солей використо- вують бензотріазол, толілтріазол, буру, алкосил ікати, хромати, фосфати, поліфосфати, карбонат натрію, мелясу тощо. Ці добавки часто є дорогими і здебільшого багато з них – токсичні. Але натуральні антикорозійні добавки мають очевидні переваги, особливо в системах охолодження харчової сировини. У цьому плані залишається актуальним застосування таких холодоносіїв, як “кальтонат” і “кальтозин”.

Кальтонат - нетоксична, безбарвна, з жовтим відтінком рідина, що є водним розчином хлористого натрію, у який додані меляса (кормова патока, близько 0,81%) та оксид кальцію (0,15%). Зниження швидкості корозії тут досягається за рахунок хімічної взаємодії цукру, що є у мелясі, з оксидом кальцію. Кальтонат використовують як холодоносій у розсільних системах охолодження, де на виході з випарника необхідно мати температури не нижче -12 °С.

Кальтозин - нетоксична, безбарвна рідина, що одержує жовтувате забарвлення від продуктів корозії сталі. Цей холодоносій є водним розчином: хлористого кальцію з добавками меляси (близько 0,72%, можливо, рафінадної патоки, цукру-піску чи цукру-рафінаду), оксиду кальцію (близько 0,18%). Швидкість корозії сталі становить приблизно 0,06 мм за рік, що у 5-6 разів менше, ніж при використанні чистого розчину хлористого кальцію. Кальтозин використовують як холодоносій у низькотемпературних розсільних системах охолодження, де на виході з випарника необхідно мати температури, не нижче -50 °С.

З огляду на тенденції розвитку ринку холодоносіїв, Рошальский хімічний завод розробив програму забезпечення російських підприємств холодоносіями, які відповідають сучасним світовим вимогам по безпеці та екологічності [41]. Були розроблені і виготовлені теплохолодоносії трьох видів: “НОРДВЄЙ-ХН” на основі ацетату калія, “НОРДВЄЙ-ПРО” на основі пропіленгліколю та “НОРДВЄЙ-ПРО” на основі форміату калію.

У низькотемпературному режимі, де робочий діапазон температур може досягати -50°С, холодоносіїв, які можна було б порівняти по властивостях з форміатними та ацетатними, на сьогоднішній день немає. При цьому, по в’язкості й теплопровідності форміатні холодоносії перевершують ацетатні, що робить форміати більш кращими за теплофізичними характеристиками.

Зіставлення холодоносіїв, що працюють до -33°С, підтверджує перевагу ацетатів та форміатів, їх теплофізичні характеристики порівнянні із широко розповсюдженим хлоридом кальцію. Пропіленгліколеві склади мають найгірші показники і їхнє застосування різко звужено як через високу в'язкість, так і через незадовільні теплоємності та теплопровідності.

Аналогічна картина спостерігається при порівнянні холодоносіїв з робочою температурою не вище -20°С. Недоліки пропіленгліколя зберігаються, але не носять критичного характеру, і тому його застосування доцільно за умови відсутності альтернативних холодоносіїв на основі ацетатів або форміатів.

Інгібітори корозії, розроблені для холодоносіїв “НОРДВЄЙ-ХН” і “НОРДВЄЙ-ПРО”, не тільки забезпечують надійний захист усіх конструкційних матеріалів, але й надають їм певний запас міцності, що дозволяє використовувати їх як концентрати для готування розчинів у широкому діапазоні робочих температур від -60 до 0°С.

Порівняння систем охолодження з проміжним холодоносієм та систем безпосереднього охолодження киплячим холодоагентом не коректне, бо вони не є альтернативними, використовуються часто для реалізації суттєво різних технологічних та екологічних цілей. Але виключно в технічному плані переваги систем із проміжним холодоносієм такі: менша витрата суцільнотягнених труб, тому що розсільні батареї виготовляються із шовних труб: такі системи мають значно більшу акумулювальну здатність, вони простіші для вирішення задач регулювання з використанням більш простої та повної автоматизації охолоджувальної системи. Такі системи більш надійні в експлуатації, менш небезпечні у разі аварії, бо мають відносно меншу місткість холодоагенту; відсутність можливості витікання холодоагенту безпосередньо в камерах. Серед недоліків систем із проміжним холодоносієм найчастіше відзначають такі: підвищена корозія трубопроводів, апаратури, арматури, теплообмінного обладнання (особливо у відкритих системах); необхідність реалізації більш низьких температур кипіння холодоагенту у випарниках, де охолоджується холодоносій; великі значення температурних напорів у випарниках; додаткові витрати електроенергії на роботу насосів; необхідність деякого додаткового обладнання (насоси, концентратори розсолу тощо); підвищення металоємності охолоджувальної системи, збільшення площі машинного відділення.

Питання для самоконтролю

1. Основні вимоги до холодоносіїв.

2. Призначення холодоносіїв.

ЛЕКЦІЯ 9 МАСТИЛА У ХОЛОДИЛЬНИХ УСТАНОВКАХ