Какие свойства аммиака лежат в основе его применения в холодильных установках

Аммиак — NH3, нитрид водорода, при нормальных условиях — бесцветный газ с резким характерным запахом (запах нашатырного спирта), почти вдвое легче воздуха, ядовит. Растворимость NH3 в воде чрезвычайно велика — около 1200 объёмов (при 0 °C) или 700 объёмов (при 20 °C) в объёме воды. В холодильной технике носит название R717, где R — Refrigerant (хладагент), 7 — тип хладагента (неорганическое соединение), 17 — молекулярная масса. Холодильный агент (хладагент) — рабочее вещество холодильной машины, которое при кипении и в процессе изотермического расширения отнимает теплоту от охлаждаемого объекта и затем после сжатия передаёт её охлаждающей среде за счёт конденсации (воде, воздуху и т.п.).

Хладагент является частным случаем теплоносителя. Важным отличием является использование теплоносителей в одном и том же агрегатном состоянии, в то время, как хладагенты обычно используют фазовый переход (кипение и конденсацию).

Основными холодильными агентами являются аммиак, фреоны (хладоны), элегаз и некоторые углеводороды. Следует различать хладагенты и криоагенты. У криоагентов ниже температура кипения. Это не касается появившихся в последнее время компрессионных криостатов, способных охлаждать до температур ниже ?120 °C без применения жидкого азота, как это было принято последние сто лет. В качестве холодильного агента при создании оксиликвита используется кислород. Он же служит окислителем.

Принципиальной разницей в использовании холодильных агентов в виде азота, гелия и т.д. является то, что жидкость расходуется и испаряется (как правило, в атмосферу). В холодильных машинах фреон или аналогичный газ ходит по кругу, при помощи компрессора, сжижаясь в конденсаторе, испаряясь в испарителе.

Особого внимания требует расширение применения аммиака. Аммиак по сравнению с углеводородами менее опасен. За прошедшее столетие отношение к аммиаку, как хладагенту, менялось от полного приятия до резкого отторжения, связанного с заполнением рынка хладагентов ХФУ и ГФУ, которые первоначально рассматривались как панацея, обещающая полное вытеснение МНз из холодильной техники. К счастью, этого не произошло. Аммиак, открытый 255 лет назад, с 1859 года применяется как холодильный агент, сначала в абсорбционных машинах, а с 1876 года — в компрессионных. При нулевых потенциалах разрушение озона и глобального Потепления аммиак не вызывает, термодинамически эффективен и абсолютно чист экологически. Энергетические показатели аммиачных холодильных машин и установок высоки: с энергетической точки зрения альтернативы аммиаку нет. Кроме того, аммиак обладает характерным запахом, который позволяет органолептически почти мгновенно определять его утечку. Аммиак легче воздуха и при утечке поднимается в воздух, уменьшая опасность отравления. К сожалению, зачастую эти достоинства аммиака относят к его существенным недостаткам. Действительно, аммиак теоретически взрывоопасен при объемном содержании в воздухе от 15 до 28%, однако, случаи взрыва воздушно-аммиачной смеси в практической деятельности настолько редки, что их можно отнести к разряду легенд многолетней давности, когда в холодильной технике отсутствовала надежная автоматика, а нарушение режимов эксплуатации такой техники приводило к гидроударам и, как следствие последних, — взрывам. В жизнедеятельности человека известно множество случаев взрыва бытового газа, приводящих к трагическим последствиям, но никому и в голову не приходит запретить газоснабжение квартир и домов. Следует обратить внимание и на то, что мгновенная разгерметизация аммиачной холодильной установки не приведет к моментальному выбросу аммиака в атмосферу. Выйдет только паровая фаза, которая составляет незначительную часть от общего содержания аммиака в системе. Остальной жидкий аммиак будет медленно выкипать. Аммиак не текуч в той степени, которая свойственна другим хладагентам, не взаимодействует с черным металлом, а, следовательно, все аммиачное оборудование дешево, в отличие от фреонового, для которого используют в основном цветные металлы. Отрицательные свойства аммиака проявляются только при большом его количестве (несколько тонн) в системе и при условиях, когда могут создаться критические концентрации (до 50-60 грамм на один киловатт производимого холода). В традиционной насосно-циркуляционной системе заправка аммиака составляет около 3 кг на 1 кВт холода. Кроме того, современные средства автоматизации позволяют создавать высоконадежные холодильные комплексы.

Сегодня это достаточно легко решается путем перевода крупных холодильных объектов на аммиачные установки, содержащие минимальное количество аммиака и оснащением аммиачной холодильной техники современными высоконадежными средствами автоматизации.

Это привело к расширению области применения аммиака за рубежом, в частности, к его использованию в системах кондиционирования и холодоснабжения супермаркетов. При этом были приняты меры к снижению опасности выбросов NH3 и в первую очередь к уменьшению количества заправляемого хладагента. Уменьшение количества аммиака при сохранении заданной холодопроизводительности возможно при принятии следующих мер:

*замена систем непосредственного кипения аммиака на системы с промежуточным хладоносителем;

*использование ХМ с малоемкими тешюобменными аппаратами для охлаждения промежуточных хладоносителей;

*применение новых хладоносителей, нейтральных к металлам, экологически безопасных;

*оборудование выпускаемых холодильных машин устройствами и средствами автоматизации, позволяющими локализовать аммиак в случае разгерметизации холодильной машины.

Разработчики холодильного аммиачного оборудования предлагают несколько путей перевооружения холодильных установок.

Первый путь пригоден для крупных АХУ, расположенных в городах вблизи жилых массивов. Это возврат к системе с промежуточным хладоносителем, где недостатки подобных систем охлаждения на современном витке развития технологий исключаются применением нового теплообменного оборудования, приборов автоматизации, арматуры, материалов. Рекомендуется применять блочные малоемкие холодильные агрегаты с дозированной заправкой МНз, в которых в качестве испарителей и конденсаторов применяется высокоэффективная аппаратура пластинчатого типа, в качестве хладоносителей — некорродирующие растворы, а в холодильных камерах батарейные системы охлаждения заменять малопоточными воздухоохладителями. Аммиачное оборудование в данном случае может располагаться как в традиционных центральных машинных отделениях, так и в блочных машинных отделениях контейнерного типа, оборудованных устройствами для полного поглощения аммиака в случае разгерметизации. При этом количество аммиака обычно не превышает 100-150 грамм на 1 кВт холодопроизводительности.

Второй путь модернизации и усовершенствования крупных АХУ, располагающихся в промзонах, вдали от жилых массивов и общественных объектов. Этот путь эффективен для предприятий с большим числом разнотемпературных потребителей холода и обеспечивает снижение аммиако-емкости систем охлаждения почти на порядок.

Третий путь является весьма перспективным, заключается в разработке агрегатированных блочных аммиачных установок непосредственного кипения аммиака по типу фреоновых, так называемых сплит-систем. Холодильные машины с небольшим количеством NH3 размещаются в специальных герметичных контейнерных блоках, а аммиак в случае разгерметизации полностью поглощается нейтрализаторами, не попадая в окружающую среду. Подобные аммиачные установки уже в настоящее время широко применяются в Японии и США.

30.08.2016

 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. 

Также рекомендуем статьи:

Аммиачные холодильные установки: перспективы использования

Аммиачные холодильные установки: пути снижения аммиакоемкости

Вода в аммиачной холодильной установке: последствия и пути решения

Химия
9 класс

Прежде всего рассмотрим строение молекулы аммиака NH3. Как вы уже знаете, на внешнем энергетическом уровне атомы азота содержат пять электронов, из которых три электрона — неспаренные. Именно они и участвуют в формировании трёх ковалентных связей с тремя атомами водорода при образовании молекулы аммиака NH3.

Три общие электронные пары смещены в сторону более электроотрицательного атома азота, а так как молекула аммиака имеет форму треугольной пирамиды (рис. 128), то в результате смещения электронных пар возникает диполь, т. е. молекула с двумя полюсами.

Рис. 128.
Строение молекулы аммиака

Молекулы аммиака (в жидком аммиаке) взаимодействуют, связываясь друг с другом:

Этот особый тип химической межмолекулярной связи, как вы уже знаете, называют водородной связью.

Аммиак — бесцветный газ с резким запахом, почти в два раза легче воздуха. Аммиак нельзя вдыхать продолжительное время, так как он ядовит. Этот газ легко сжижается при обычном давлении и температуре -33,4 °С. При испарении жидкого аммиака из окружающей среды поглощается много тепла, поэтому аммиак применяют в холодильных установках.

Аммиак хорошо растворим в воде: при 20 °С в 1 объёме воды растворяется около 710 объёмов аммиака (рис. 129). Концентрированный (25%-й по массе) водный раствор аммиака называют водным аммиаком или аммиачной водой, а используемый в медицине 10%-й раствор аммиака известен под названием нашатырный спирт. В водном растворе аммиака образуется непрочное соединение — гидрат аммиака NH3 • Н2O.

Рис. 129.
«Аммиачный фонтан» (растворение аммиака в воде)

Если к раствору аммиака добавить несколько капель фенолфталеина, раствор окрасится в малиновый цвет, что указывает на щелочную среду. Щелочная реакция водных растворов аммиака объясняется наличием гидроксид-ионов ОН-:

Если окрашенный фенолфталеином раствор аммиака подогреть, то окраска исчезнет (почему?).

Лабораторный опыт № 30
Изучение свойств аммиака

Аммиак взаимодействует с кислотами, образуя соли аммония. Это взаимодействие можно наблюдать в следующем опыте: стеклянную палочку или стакан, смоченные раствором аммиака, поднести к другой палочке или стакану, смоченным соляной кислотой, — появится густой белый дым (рис. 130):

Рис. 130.
«Дым без огня»

Вот и верь после этого поговорке, что дыма без огня не бывает.

И водный раствор аммиака, и соли аммония содержат особый ион — катион аммония NH+4, играющий роль катиона металла. Ион аммония образуется в результате возникновения ковалентной связи между атомом азота, имеющим свободную (неподелённую) электронную пару, и катионом водорода, который переходит к аммиаку от молекул кислот или воды:

Механизм образования ковалентной связи, которая возникает не в результате обобществления неспаренных электронов, а благодаря свободной электронной паре, имеющейся у одного из атомов, называют донорно-акцепторным.

При образовании иона аммония донором свободной электронной пары служит атом азота в аммиаке, а акцептором — катион водорода кислоты или воды.

Ещё одно химическое свойство аммиака вы сможете сами прогнозировать, если обратите внимание на степень окисления в нём атомов азота, а именно -3. Конечно же аммиак — сильнейший восстановитель, т. е. его атомы азота могут только отдавать электроны, но не принимать их. Так, аммиак способен окисляться или до свободного азота (без участия катализатора):

4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6Н2O,

или до оксида азота (II) (в присутствии катализатора):

В промышленности аммиак производят синтезом из азота и водорода (рис. 131).

Рис. 131.
Промышленная установка (а) и схема промышленного получения аммиака (б)

В лаборатории аммиак получают действием гашёной извести Са(ОН)2 на соли аммония, чаще всего на хлорид аммония:

Газ собирают в перевёрнутый кверху дном сосуд, а распознают или по запаху, или по посинению влажной красной лакмусовой бумажки, или по появлению белого дыма при внесении палочки, смоченной соляной кислотой.

Аммиак и его соли широко используют в промышленности и технике, в сельском хозяйстве, быту. Основные области их применения показаны на рисунке 132.

Рис. 132.
Применение аммиака и солей аммония:
1,2 — в холодильных установках; 3 — производство минеральных удобрений; 4 — производство азотной кислоты; 5 — для паяния; 6 — получение взрывчатых веществ; 7 — в медицине и в быту (нашатырный спирт)

Новые слова и понятия

1. Строение молекулы аммиака.
2. Водородная связь.
3. Свойства аммиака: взаимодействие с водой, кислотами и кислородом.
4. Донорно-акцепторный механизм образования иона аммония.
5. Получение, собирание и распознавание аммиака.

Задания для самостоятельной работы

1. Каково электронное и пространственное строение молекулы аммиака?
2. Перечислите области применения аммиака. Какие свойства аммиака лежат в основе его применения в медицине, холодильных установках?
3. Какую химическую связь называют водородной? В чём особенности водородной связи? Что можно сказать о прочности водородных связей по сравнению с ковалентными и ионными? Какое значение имеет водородная связь в химии и биологии?
4. Приведите примеры веществ, между молекулами которых образуются водородные связи. Как это отражается на физических свойствах этих веществ?
5. На примере образования катиона аммония из молекулы аммиака объясните принцип образования ковалентной связи по донорно-акцепторному механизму.

   Является ли связь, образованная по донорно-акцепторному механизму, особым типом химической связи? Объясните почему.

6. Как изменится окраска фенолфталеина при добавлении его к нашатырному спирту? Объясните ответ, составив уравнение химической реакции.
7. Какую степень окисления имеет азот: а) в аммиаке; б) в хлориде аммония; в) в нитрате аммония; г) в сульфате аммония?
8. Используя метод электронного баланса, определите коэффициенты в следующей схеме химической реакции:

   

9. Почему азот в аммиаке проявляет только восстановительные свойства?
10. Как получают аммиак: а) в промышленности; б) в лабораторных условиях?