Аммиак
Физико-химические свойства:
- химическая формула: NH3
- относительная молекулярная масса: 17,03
- газовая постоянная: 488,21 Дж/(кг*K)
- точка кипения при 101,3 кПа: 33,3°C;
- температура замерзания: 77,7°C
- критическая температура: 132,25°C
- критическое давление (абс.): 114,2 бар
- растворимость в воде: до 74 301 мл в 100 г H2O при 20°C.
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.
Температура воспламенения аммиака 630°C, скорость распространения огня в случае возгорания не превышает 8 см/с. Нижний концентрационный предел воспламенения (НКПВ)—минимальная концентрация, при которой возможно возгорание—0,116 кг/м3.
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)
- В воздухе населенных пунктов:
- при воздействии до 20-30 минут — максимальная разовая: 0,2 мг/м3,
- при воздействии не менее 24 часов — среднесуточная: 0,1 мг/м3,
- при хроническом (не менее 1 года) воздействии — среднегодовая: 0,04 мг/м3.
- В воздухе рабочей зоны производственных помещений:
- 20 мг/м3.
Порог восприятия запаха 0,5 мг/м3. При концентрациях 40-80 мг/м3 наблюдается резкое раздражение глаз, верхних дыхательных путей, головная боль. Смертельными считаются концентрации 1500—270 мг/м3, действующие в течение 0,5-1 часа.
- Озоноразрушающая способность (ОРС): 0
- Потенциал глобального потепления (ПГП): 0.
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.
абсорбционного типа:
1 — кипятильник,
2 — дефлегматор,
3 — конденсатор,
4 — испаритель,
5 — абсорбер.
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:
- пленочные испарители для получения ледяной воды или охлаждения тузлука;
- установки для получения жидкого льда;
- генераторы чешуйчатого льда;
- плиточные скороморозильные аппараты;
- шок-фростеры скороморозильных аппаратов туннельного или спирального типа;
- воздухоохладители камер охлаждения или замораживания, а также камер хранения охлажденной или замороженной продукции;
- другое холодопотребляющее технологическое оборудование.
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.
Дополнительные материалы
- Каскадный аммиачно-пентановый тепловой насос нагреет пар до 145°C для обработки креветок
- Новый датчик контроля испарителя способен уменьшить заправку аммиака в промышленных системах на величину до 75%
- Станция центрального отопления в историческом городе Германии использует тепло сточных вод при помощи аммиачных тепловых насосов
- Агентство по охране окружающей среды США анонсировало новые требования безопасности к аммиачному охлаждению
- Исследование показало, что COP каскадных холодильных систем на R717/CO2 на индийских предприятиях по переработке морепродуктов на 35% выше, чем у систем на R404A
- Пример централизованной холодильной системы с малой заправкой аммиака для распределительного склада продукции птицефабрик
- Экологические, социальные и управленческие преимущества интегрированных холодильных систем с малой заправкой аммиака
- GEA поставит двухступенчатую аммиачную систему для самого высокого холодильного склада в Великобритании
- Аммиак сочли подходящим решением для крупных проектов в области ОВК и охлаждения в Латинской Америке
- Новый чиллер с ультрамалой заправкой аммиака на основе компрессора Bitzer
- Экспертам нужно больше тематических исследований в отношении природных хладагентов
- Директор АПИМХ рассказал о преимуществах перехода на природные хладагенты для окружающей среды и национальной экономики
- Компания из Шотландии выпустила руководство по переходу на природные хладагенты, такие как аммиак
- Комбинированное управление тепловой энергией — будущее HVAC&R, считают в компании CIMCO Refrigeration
- Канадский производитель мясных продуктов сокращает парниковые выбросы при помощи аммиачного теплового насоса
- Анализ показал, что гликолевые системы обеспечивают набольшее сокращение заправки аммиака
- Названы проекты с низким ПГП, отобранные на премию ASHRAE и ЮНЕП
- Холодильные сплит-системы с малой заправкой аммиаком для низкотемпературного склада в Неваде
- Оценка жизненного цикла показывает, что для бытовых тепловых насосов аммиак экологичнее синтетических хладагентов и углеводородов
- Процесс сорбции подходит для небольших систем охлаждения с использованием аммиака
- Ученая призывает использовать природные хладагенты для систем охлаждения жидким льдом на рыболовных судах
- Демонстрационные установки показывают потенциал природных хладагентов
- Чиллеры на аммиачно-эфирной смеси уменьшили парниковые выбросы кожевенного завода более чем на 744 тонны CO2-эквивалента
- Аммиак или CO2: какой хладагент выбрать для холодильного склада?
- Экономия воды — задача первостепенной важности при эксплуатации холодильного и климатического оборудования с водяным охлаждением
- Разработкой отечественных скороморозильных аппаратов для заморозки рыбы займется компания из Волжска (Марий Эл)
- Повышение производительности чиллера со сверхмалой заправкой аммиака за счёт эжектора
- 100 холодильных агрегатов с малой заправкой аммиака установлены на 25 объектах
- Необходимо повышать осведомлённость о преимуществах систем с малой заправкой аммиака
- Программа углеродных кредитов как способ уменьшить стоимость перехода на природные хладагенты
- Аммиачная холодильная установка мясоперерабатывающего предприятия как один из первых примеров достижения углеродной нейтральности
- Аммиачные чиллеры с малой заправкой набирают популярность
- GEA Heating & Refrigeration Technologies представляет новинки в линейке полугерметичных компрессоров
- Отраслевое руководство по хладагентам затрагивает принципы эффективности систем и проблемы безопасности
- Ответ Ростехнадзора об определении классов опасности производственных объектов, использующих аммиак и диоксид углерода
- Технологии охлаждения и хладагенты
- Перспективы аммиака как хладагента
- В Мурманске планируют запустить производство генераторов жидкого льда на аммиаке
- Решение конференции «Природный хладагент аммиак—химическая и технологическая безопасность Российской Федерации»
- Новая рабочая жидкость для установок преобразования тепловой энергии океана
- Хладагенты и окружающая среда
- Аэропорт Flughafen Zürich. Подходы к охране окружающей среды
- Энергоэкологические парадигмы холодильных агентов
- Проблемы повышения безопасности аммиачных систем
- Опыт применения аммиачных установок на Балканском полуострове
- Опыт использования аммиака в Африке, Таиланде и Китае: итоги конференции в Бангкоке
- Природные хладагенты в Северной Америке. Продовольственное снабжение
- Природные хладагенты – будущее России
- Природные хладагенты в Северной Америке. Транспорт
- 09.05.2013—11.05.2013—5-я конференция IIR «Холодильные технологии с использованием аммиака»
- Холодильные установки на аммиаке в Китае
- Озоноразрушающие вещества и экологически безопасные альтернативы
- Новинка для замораживания на борту без насоса для циркуляции аммиака
- Использование аммиака в холодильной отрасли России: проблемы и перспективы
- Визит «озонового офиса» Туркменистана в Москву. День завершающий
- О природных хладагентах
- Технологический саммит «АТМОсфера» предлагает аммиак в качестве альтернативы ГХФУ для всех стран
- Конференция: «Природный хладагент аммиак – химическая и технологическая безопасность Российской Федерации»
- Тенденции развития аммиачных холодильных систем
- Плюсы и минусы холодильных установок на экологичных хладагентах
- Природные хладагенты в Северной Америке. Промышленность и особые сферы применения
- R717 и R404A: преимущества и недостатки
- Аммиак сохранит лидерство на европейском рынке
- Научно-практическая конференция «Повышение надежности и эффективности холодильного и нефтехимического оборудования»
- Аэропорт Цюриха. Использование природного хладагента аммиака
- 16.10.2013—Конференция «Природный хладагент аммиак – химическая и технологическая безопасность Российской Федерации»
- Аммиак как хладагент