Методи за предотвратяване на корозията
В условия на световна тенденция към нарастване на цените на първичните енергоизточници, поддържането на комфортни параметри на микроклимата е все по-скъпо струваща задача. Известен факт е, че от всички сградни инсталации, захранвани с електроенергия, системите за кондициониране на въздуха се явяват едни от най-големите консуматори. Според направени проучвания, енергопотреблението за климатизиране на 10 m2 възлиза на около 0,3 – 0,5 kW/h. В търсенето на по-ефективни технологии за климатизация, едно от възможните решения се явява използване на абсорбционни хладилни машини. Подобно на компресорните, абсорбционните чилъри успешно поддържат необходимите параметри на въздушната среда в климатизираните помещения, но при значително по-ниски разходи за електроенергия в сравнение с компресорните хладилни машини. Затова абсорбционните чилъри се използват широко за климатизиране на административни, обществени и офисни сгради, както и на сгради с индустриално предназначение.
За разлика от компресорните хладилни машини, при които за поддържане непрекъснатостта на хладилния цикъл е необходима механични енергия, получавана от компресор, абсорбционните хладилни машини работят с топлинна енергия. Източник на необходимата топлинна енергия може да бъде гореща вода, прегрята водна пара, природен газ, нефтени продукти и др. Абсорбционните чилъри са широко използвани в случаите, при които е налична отпадна топлина от двигател, турбина или технологичен процес. Често се използват и в когенерационните инсталации за производство на студ. Сред предимствата на абсорбционните чилъри е и възможността да се използват както за климатизация на сгради, така и за подготовка на гореща вода. Също така работата им не е съпроводена с генериране на допълнителен шум или вибрации.
За абсорбционните чилъри
Характерна особеност на абсорбционните хладилни машини е използването на две вещества: работно тяло, наричано още хладилен агент, и абсорбент. Сред най-разпространените абсорбционни чилъри са моделите, работещи с воден разтвор на литиев бромид. Те обикновено обхващат два блока – горен и долен. В долният блок на машината са разположени абсорберът и изпарителят, в които се поддържа ниско налягане и температура. Корпусът на горния блок също е разделен на две части – съответно на генератор и кондензатор, в които се поддържа високо налягане и температура. В изпарителя течният хладилен агент (вода) се изпарява, отнемайки топлина от охлажданата вода или от друга работна среда. Процесът протича благодарение на ниското налягане, поддържано в изпарителя. В следващата част на цикъла се осъществява регенерация на хладилния агент с цел неговото повторно използване. Съответно, в абсорбера парите на хладилния агент се поглъщат от концентрирания бромисто-литиев разтвор, благодарение на неговите много добри абсорбиращи свойства. Разреденият бромисто-литиев разтвор се подава в генератора с помощта на помпа, където се загрява за сметка на външен източник на топлина. В генератора водата се изпарява от разтвора, а концентрираният бромисто-литиев разтвор се стича в абсорбера. Парите на хладилния агент постъпват от генератора в кондензатора, където кондензират, като образувалата се вода постъпва в изпарителя. За да се подобри топлообменът и за да се повиши ефективността на процесите, протичащи в изпарителя и абсорбера, тръбите се оросяват с вода или с бром-литиев разтвор. Цикълът се осъществява непрекъснато през целия експлоатационен срок на машината. Поставянето на допълнителен топлообменник между генератора и абсорбера също спомага за повишаване ефективността на процеса.
Решение на проблема с корозията
Описаният принцип на абсорбционно охлаждане на базата на литиев бромид е много подходящ за използване в централни климатични системи с висока производителност. Основен недостатък на тези системи е високата агресивност на литиевия бромид към черните метали, което създава реална опасност от възникване на корозионен процес върху вътрешните метални повърхности на чилъра.
Опасността от корозия на металите, намиращи се в досег с воден разтвор на литиев бромид, се дължи на протичането на електрохимични реакции, при които върху повърхността на метала се наблюдават два процеса – аноден и катоден. По време на анодния процес, атомите на метала, във вид на йони преминават в разтвора. Катодният процес, от своя страна, определя реакцията на възстановяване на йоните на водорода (водородна деполяризация) и възстановяването на кислорода (кислородна деполяризация). Определящи за скоростта на корозия на металите се явяват, преди всичко, протичащите катодни процеси. Сред условията за предпазване на металите от корозия е недопускане на проникването на въздух в чилъра, тъй като катодният процес се ограничава от скоростта на водородна деполяризация. При попадане на въздух в агрегата, освен водородна деполяризация, започва и процес на кислородна деполяризация, което води до увеличаване на скоростта на корозионните процеси.
Дори случайното проникване на въздух може да се окаже недостатъчно за нанасяне на съществени щети на чилъра. По отношение на абсорбционните чилъри опасността се състои преди всичко в наличието на възможност за продължително проникване на въздух в охладителя. В този случай, опасността от повреда на елементите на чилъра е много по-голяма.
Възникването на корозионен процес вътре в абсорбционните охладители силно затруднява поддръжката им. Често топлообменникът и нагряващите елементи се замърсяват с корозивни отпадъци. В една абсорбционна хладилна машина единствените подвижни елементи са различни като конструкция помпи, чрез които се осъществява циркулацията на работните флуиди. Въпреки това, не е нещо необичайно да се открие, че след продължила няколко години експлоатация, работата на охладителите е далеч от оптималната, а поддръжката им става все по-скъпа, което в крайна сметка води до преждевременното им бракуване.
Въздушните утечки, освен че са сред факторите за възникване на корозия, водят и до загубата на вакуум. Поддържането на вътрешен вакуум е един от факторите, оказващи влияние върху работоспособността на абсорбционния охладител. Загубата на вакуум, вследствие от проникването на въздух, също би могло да доведе до повреждане на системата. По тази причина е добре въздушните утечки да се открият и преди системата да се върне в експлоатация, причините за възникването им да се отстранят.
Защита на металните части на охладителя
В конструкциите на абсорбционните чилъри се използват основно два метала – мед и желязо. Желязото или железните сплави се използват предимно за изработване на корпуса на чилъра, медта и медните сплави – за топлообменни тръби. И двата метала са силно податливи на кислородна атака, но не реагират по идентичен начин. Ако се предприемат мерки за защита на корпуса на охладителя, те не предпазват и останалите му метални части. Например с падане на рН на средата желязото и железните сплави стават все по-уязвими на корозия. Следователно, увеличаването на рН на разтвора ще намали въздействието му върху железните елементи от конструкцията на охладителя. За медта, обаче, е валидно точно обратното. При увеличаване на рН на средата ще се понижава корозионната устойчивост на медните елементи на чилъра.
По тази причина защитата на един или друг метал е въпрос на компромис. За “спасяване” и на двата метала е необходимо да се поддържа определен баланс. Например използването на бромоводородна киселина и литиев хидроокис променят киселинността на разтвора. Киселината понижава pH, докато хидроокисът го повишава.
Други химикали (нитрати, хромати, арсенати и молибдати) са специфични инхибитори, основно предназначени за защита на съдържащи желязо елементи на охладителя. Както вече бе подчертано, съдържащите мед метали са естествено защитени при нисък pH на разтвора. Ако в разтвора на литиев бромид се поддържа нисък pH, стоманените елементи на охладителя се защитават чрез добавяне на подходящ инхибитор.
Генераторът и абсорберът са най-податливи на корозия
В абсорбционните чилъри най-силно податливи на корозия са генераторът и абсорберът. Причината е в редица фактори, свързани с корозионния процес. При осъществяване на термодинамичния цикъл, в абсорбционния чилър се променя температурата и концентрацията на работния разтвор, значението на рН на средата, скоростта на движение на течностите в топлообменните апарати, състоянието на веществата и т. н. Известно е, че с повишаването на температурата, скоростта на електрохимичните реакции нараства. Следователно, най-значителните поражения от корозията се наблюдават в генератора, в който изпарението на водния разтвор на литиевия бромид се осъществява при температура от порядъка на 80 – 160 оС, а концентрацията на литиевия бромид е около 58 – 64% от общата маса.
В генератора и в абсорбера скоростта на корозия би могла да се увеличи, ако са налични продукти на корозията в стичащия се по топлообменните повърхности разтвор. Също така, при неравномерно оросяване е възможно да се получи контакт между топлообменната повърхност и парите. По отношение на метала, в местата, в които се намира границата между течната фаза и парата, съществува реална опасност от възникване на точкова и язвена корозия.
Корозионните процеси, протичащи в абсорбционния охладител, до голяма степен определят и нивото на рН на средата, което пряко влияе върху скоростта на корозия на металите. Скоростта на корозия на стоманата се увеличава с намаляване на рН на средата. На практика, при рН > 10 стоманата не корозира, но в процеса на работа на агрегатите рН на работния разтвор намалява от 8 – 10 до по-ниски стойности.
Специфики при поддръжката на абсорберите
Поддръжката на абсорберите в реални експлоатационни условия не е лесна задача. Тя следва да се извършва от висококвалифицирани сервизни специалисти. За да се направи правилна оценка на работата на съоръжението, специалистите трябва да притежават необходимите професионални познания и опит да различават различните шумове, с които е съпроводена работата му, както и да определят възможните причини за неефективната му експлоатация. Когато охладителят се повреди, обикновено времето за откриване и отстраняване на причините за проникване на въздух е минимално. Към специалните продухващи механизми на чилъра е възможно свързване на външна вакуумпомпа. По този начин вакуумът се повишава до такава степен, че в някои случаи охладителите могат да работят дори с немалък отвор в корпуса си. Ако проникването на въздух не бъде спряно, системата ще се повреди напълно. Съоръжението ще продължи да работи, тъй като външната помпа ще продължи да поддържа изкуствено висока степен на вакуум. Корозивният процес, обаче, ще се интензифицира поради продължаващото проникване на кислород в съда с литиев бромид. В този случай външната вакуумна помпа допринася за повреждането на охладителя.
Действие на химичните добавки
Причина за влошаване на експлоатационните характеристики на абсорбционните охладители, се явява и неподходящият химичен състав на използваните разтвори. За да се избегне проблемът, се експериментира чрез добавяне на различни инхибитори в съда с литиев бромид. Необходимите вещества за протичане на охлаждащия цикъл са литиев бромид и вода, но с течение на времето към разтвора следва да се добавят различни химикали. Обикновено те включват до 48% бромоводородна киселина, литиев хидроокис, литиев нитрат, литиев хромат, литиев арсенат и литиев молибдат.
Описаните химични съединения се въвеждат с цел осигуряване на контрол върху вътрешната корозия. И докато всеки от тези химикали наистина оказва определено въздействие върху вътрешната корозия, без подходящ и постоянен контрол на текущия химичен състав на литиевия бромид, химичните добавки могат да причинят повече вреда, отколкото полза. Добавянето на различни инхибитори цели намаляване на химическата агресивност на литиевия бромид. За разлика от фреоните, които са претърпели множество качествени изменения за времето на тяхното използване, бром-литиевият разтвор се използва без изменение вече десетки години. Подобренията касаят преди всичко използването на различни добавки, а също така оптимизация на хладилния цикъл.
Ролята на инхибиторите
Добавянето на инхибитори все още се приема като един от най-ефективните и икономически изгодни методи за защита на абсорбционния охладител от корозия. Използването на ефективни инхибитори гарантира надеждната експлоатация на агрегатите и увеличава експлоатационния им срок. За защита на металните части от конструкцията на охладителя, които са в досег с течната фаза на разтвора, се използват неорганични инхибитори, а за тези, които са с досег до парата – органични инхибитори. В качеството на органични инхибитори се предлагат органични киселини, азотосъдържащи съединения, амини и др.
Сред неорганичните инхибитори на водния разтвор на литиевия бромид препоръчителни са хромати, нитрати, нитрити, фосфати, арсенати и молибдати, силикати и др. Сред най-разпространените инхибитори е литиевият хромат. Хроматите се отнасят към инхибиторите, оказващи въздействие както върху скоростта на анодните, така и върху катодните процеси. Те се характеризират с много силно защитно действие. Проблемът при използването на този инхибитор е, че в процеса на работа на абсорбционния охладител концентрацията на литиевия хромат в разтвора намалява. Недостатъчната концентрация на инхибитор в разтвора води до силни корозионни процеси на метала в течната фаза и на границата между двете фази. Също така, с повишаване на температурата защитните свойства на хроматите намаляват.
Характеристики на нитратите
Явявайки се анодни инхибитори, нитратите ефективно защитават от корозия металните сплави. Нитратът има свойството да стимулира образуването на железен окис. Той се отлага върху стоманената повърхност и предотвратява протичането на корозионните процеси. В сравнение с хроматите, обаче, степента на защита на въглеродната стомана с нитрати е по-ниска. Защитните свойства на нитратите намаляват при повишаване на концентрацията на бромни йони в разтвора. При недостатъчна концентрация на нитратите, както и в киселинна среда, те могат да стимулират корозията на стоманата. Недостатък на метода е и постепенното нарастване на дебелината на окисния слой до момент, в който определени парчета се отлюпват и попадат в разтвора. Образуваните отпадъчни продукти могат да причинят значителни проблеми. Следва да се отбележи и фактът, че при използването на нитрати в абсорбционните чилъри се образува амоняк в количество 0,3 – 100 мг/л, което трябва постоянно да се контролира. Това налага изграждането на система за неговото отвеждане. Образуването на амоняк се дължи на факта, че при корозията на стоманата се отделя водороден газ. Водородът реагира с нитрата и го редуцира до амоняк.
Амонякът е силно агресивен спрямо медта и нейните сплави.
В последните години често се използва и литиев молибдат в съчетание с литиев хидроксид. Литиевият молибдат е по-ниско токсичен инхибитор в сравнение с литиевия хромат и осигурява безпроблемната работа на агрегата. Ефективното действие на молибдатите във водния разтвор на литиев бромид, обаче, е по-малко в сравнение с това на хроматите.
Изборът на ефективен инхибитор за абсорбционните чилъри е сложна многофункционална задача. Корозионните процеси, протичащи в абсорбционните хладилни машини се обуславят от редица фактори – висока корозионна активност на водния разтвор на литиев бромид, температурни промени, наличие на скорост на движение на средата, топлинни потоци, изменение на агрегатното състояние на хладилния агент и др. Влиянието на тези фактори, а също така използването на различни видове материали и техните комбинации значително усложняват избора.
изт.сп. „Инеженеринг ревю“
