циклопентан в холодильнике для чего
Циклопентан: основные характеристики
Циклопентан — это летучая жидкость, находящая широкое применение в качестве вспенивателя при получении жестких полиуретановых пенопластов. Он относится к озононеразрушающим вспенивателям и после вступления в силу с января 1989 года Монреальского протокола пришел на смену фреонам R-11, R-12, R 141b.
Хотя до сих пор многие производители активно используют фреон R 141b для изоляционного пенополиуретана, невзирая на все запретительные акты, потому что это не требует глобального перевооружения производства, да фреон и дешевле.
Этим грешат крупнейшие азиатские производители холодильной техники и некоторые российские при изготовлении продукции на внутренний рынок. Ведь рядовой потребитель разницу не заметит, а культура утилизации материалов пока невысока.
Основные физические свойства циклопентана
Свойства циклопентана определяют особые меры предосторожности при его транспортировке. Необходимо избегать нагрева, т.к. это вещество легко переходит в газообразное состояние. Циклопентан горюч, что требует особых противопожарных мер при транспортировке и переработке.
Проблемы при переходе на циклопентан
Переход на циклопентан обусловлен его экологичностью, хотя по сравнению со своими предшественниками он менее технологичен и имеет:
Снижение прочностных характеристик приводит к необходимости повышать плотность изделий, то есть увеличивать расход материалов.
Переход на циклопентан в качестве вспенивателя требует полного технического переоснащения предприятия и пересмотра технологических циклов. А зачастую и замены соприкасающихся с ППУ материалов, т. к. циклопентан более агрессивен. Поэтому переход на этот вспениватель был в первую очередь осуществлен предприятиями, получившими гранты от международных экологических фондов.
Сравнительные изоляционные характеристики и воздействие на окружающую среду R-11 и циклопентана
Информация о холодильниках от
Давайте раставим все точки над i.
В качестве теплоизоляции в современных холодильниках наиболее широко применяется вспененный пенополиуретан (ППУ), вспенивателем которого в настоящее время применяют циклопентан (С5Н10), n-пентан, R141b, т.е циклопентаном в ППУ заполнены пузырьки. Раньше (до Монреальского протокола) в качастве теплоизоляции холодильника применяли тот же ППУ, но вспенивателем был фреон R-11 и R-12.
Основные физ. свойства циклопентана:
Введение циклопентана в качестве вспенивающего агента при получении жестких полиуретановых изоляционных пенопластов относится к началу 90-х годов. Решение перейти на циклопентан было обусловлено его благоприятными экологическими свойствами, хотя как вспениватель он менее эффективен по сравнению с R-11 из-за более высокой температуры кипения и худшего коэффициента теплопроводности газа. Уменьшение прочности при сжатии готовых пенопластов обычно приводит к повышению плотности изделий и трудностям при формовании. Увеличение веса пены, высокая стоимость циклопентана, затраты на переоборудование предприятия, связанные с безопасностью работы с горючими вспененными агентами, приводят к реальному увеличению издержек производства. Кроме того, такие летучие органические соединения, как циклопентан, могут способствовать образованию тропосферного озона, загрязняющего атмосферу, который в быту называется «промышленным смогом». Главным недостатком циклопентана является его горючесть. Низкий молекулярный вес циклопентана по сравнению с другими галогенсодержащими вспенивателями позволяет значительно снизить его концентрацию.
Сравнительные изоляционные характеристики и воздействие на окружающую среду R-11 и циклопентана
Температура кипения °C | 24|50|
Потенциал деструкции озона (ODP) | 1|0|
Потенциал всемирного потепления (HGWP) |1|0|
Теплопроводность газовой фазы, мВт/мК, при 10 °C|7,4|11,5|
Стоимость,€/кг|2,45|2,9|
Таким образом (это моё мнение) циклопентан находится внутри пузырьков ППУ в замкнутом пространстве, следовательно не может контактировать с окружающей средой (алюминиевой трубкой). Если допустить, что произошло разрушение пузырька, то циклопентан моментально улетучивается (т.к это легкокипящая жидкость).
Циклопентан: основные принципы перевооружения
В настоящее время практически все производители холодильной техники в мире отказались от использования фреона 141 b в качестве вспенивающего агента и перешли на циклопентан. Переход на циклопентан выполнялся и на собственные средства предприятий, и в рамках финансирования со стороны Всемирного банка, Глобального экологического фонда (ГЭФ) и соответствующих подразделений ООН, таких как ЮНИДО, ЮНОПС, ПРООН. Цель данного перевооружения — защита озонового слоя Земли и борьба с парниковым эффектом.
Перевод завода по выпуску холодильной техники на циклопентан представляет собой довольно сложную с технической точки зрения задачу, поскольку речь идет об изменении практически всей технологической цепочки. Более того, так как циклопентан взрывоопасен, то на всех стадиях подготовки и реализации данного проекта должно уделяться особое внимание вопросам безопасности.
Ниже мы остановимся подробнее на наиболее важных моментах, связанных с переходом на циклопентан.
Склад хранения циклопентана
В абсолютном большинстве случаев речь идет о емкостях для хранения циклопентана объемом 30–40 кубометров, вынесенных за пределы заводских помещений. В зависимости от географического положения, а также местных норм и требований органов сертификации и контроля емкости могут быть расположены как на поверхности, так и полностью или частично под землей.
Как правило, требуется не менее двух таких емкостей: одна — для непосредственного использования, другая — для аварийного слива циклопентана в случае аварии. К установке подготовки рабочей смеси циклопентан подается соответствующими насосами.
Если объемы потребления циклопентана относительно невелики, возможен более экономичный вариант склада. Циклопентан в бочках объемом чуть более 200 литров складируется в специально отведенном для хранения месте на открытом воздухе, но под навесом, обеспечивающим защиту бочек от осадков. Со склада бочки поступают к станции смешивания, где в условиях, обеспечивающих необходимую безопасность, циклопентан посредством специального насоса подается для подготовки смеси с полиолом.
Естественно, что на всех этапах хранения, транспортировки и смешивания циклопентана должна быть обеспечена надежная система защиты от возможного воспламенения и взрыва.
Смешивание полиола с циклопентаном
Станции смешивания полиола с циклопентаном устанавливаются в специальном помещении с повышенной степенью защиты. Назначением станции, как видно из названия, является замешивание циклопентана в полиол, являющийся одним из двух компонентов в составе полиуретана. Подача и смешивание компонентов осуществляются в полностью автоматическом режиме, после чего смесь поступает либо напрямую к пенозаливочным машинам или же, в зависимости от особенностей производства, в цеховую рабочую емкость объемом от 500 до 1000 литров.
Станции смешивания изолируются от основного помещения специальными защитными боксами, оснащенными датчиками-газоанализаторами, системой вентиляции с двухскоростным режимом, системой освещения во взрывобезопасном исполнении, а также пультом управления всеми системами контроля и обеспечения безопасности.
Система подачи смеси полиола и циклопентана к пенозаливочной технике
Полученная в цехе подготовки смесь полиола с циклопентаном подается к пенозаливочным машинам по системе трубопроводов, соединяющей все пенозаливочные машины. Данный трубопровод изготавливается из высококачественной стали, все сварочные работы производятся на месте специалистами высшей категории с целью полного исключения возможных протечек.
Пенозаливочная техника
Традиционные заливочные машины, как правило, не предназначены для работы с циклопентаном. Для этого используются машины, все части и узлы которых, находящиеся в контакте с циклопентаном, имеют специальное взрывобезопасное исполнение и защиту. Речь, в частности, идет о следующих частях и узлах машины:
С учетом морального и физического износа пенозаливочной техники ее модернизация при переходе на циклопентан зачастую не представляется экономически обоснованной, а иной раз и просто технически возможной. Конечно, в каждом отдельном случае данный вопрос требует отдельного рассмотрения.
Линии теплоизоляции ППУ шкафов и дверей холодильников
Если степень износа оборудования не слишком высока, существует возможность технического перевооружения, включающего в себя перевод электрооборудования во взрывобезопасное исполнение, заземление всех основных частей установки, оборудование защитного бокса с системой вентиляции, установку датчиков газоанализаторов в местах возможной утечки компонента.
При использовании циклопентана в качестве вспенивающего агента вместо обычной воздушной среды в складских, промежуточных и расходных емкостях должен использоваться азот, создающий инертную невзрывоопасную среду.
Азот может поставляться в стандартных баллонах или производиться непосредственно на месте использования. Имеет смысл поставлять азот в баллонах в случае потребления в небольших и средних объемах, в то время как при больших объемах потребления рекомендуется производить азот с помощью специального оборудования и разводить его по системе трубопроводов непосредственно к потребителям. Кроме того, азот используется для продувки («инертизации») проемов шкафов холодильников непосредственно перед заливкой пенополиуретана. Выполняется это с помощью специального азотного клапана, смонтированного непосредственно на заливочной головке или на борту тележки, обеспечивающей загрузку заготовок шкафов холодильников в линию заливки.
При этом автоматически будет выбрана правильная доза азота для продувки шкафа холодильника в зависимости от его модели и объема.
Защитный вентилируемый бокс
Все части и узлы линии заливки шкафов и дверей холодильников, где предполагается наличие циклопентана в чистом виде или в смеси с полиолом, должны быть изолированы с целью предельного сокращения зон с повышенным классом пожаро- и взрывоопасности. Для этой цели используются специальные боксы, внутри которых поддерживается разряженная среда, а в конструкции применяются исключительно материалы, обладающие антистатическими свойствами. Кроме того, боксы имеют аварийные системы доступа и снабжаются системой вытяжной вентиляции, а сама система вентиляции — дублирующим, двухскоростным вентиляционным оборудованием.
Основная система вентиляции работает в постоянном режиме, в случае же появления паров циклопентана и срабатывания системы аварийной безопасности к ней подключается и вторая, аварийная, система вентиляции. Благодаря этому даже в случае выброса смеси с циклопентаном или циклопентана в чистом виде низший взрывной предел LEL (Low Explosion Limit) не будет превзойден ни при каких обстоятельствах, что гарантирует безопасность персонала и производственного оборудования.
Система обеспечения безопасности
Система аварийной безопасности предполагает наличие датчиков газоанализаторов, датчиков уровня на случай возможной утечки компонента, датчиков входных дверей и датчиков наличия инертной среды и работоспособности вентиляционного оборудования.
Показания всех этих систем слежения выведены на один общий или несколько местных пультов управления и контроля.
Сами пульты управления системой безопасности оснащены двойной системой электропитания — основной и аварийной, переключение с первой на вторую производится в автоматическом режиме. При этом обеспечивается поддержание в активном режиме всех аварийных и вентиляционных систем в момент отключения электроэнергии.
Все аварийные сигналы дублируются на специальном пульте управления, устанавливаемом в таком месте, где гарантируется постоянное нахождение оператора. Таким образом обеспечивается своевременное оповещение службы безопасности о наступлении аварийной ситуации даже в ночные часы и в праздничные и выходные дни.
Система электроснабжения
С целью гарантии максимального уровня безопасности предусматривается двойная, основная и аварийная, система электроснабжения на основе двух независимых источников питания. При этом подключение аварийной системы энергоснабжения произойдет автоматически, что, с одной стороны, подстрахует работу основной в случае выхода ее из строя, а с другой — исключит даже малейшую возможность отключения оборудования и в первую очередь оборудования системы безопасности от источника энергоснабжения.
В случае отсутствия двух независимых линий подачи электроэнергии необходимо обеспечить наличие специального источника питания, который будет автоматически введен в действие в случае отключения электроэнергии от основного источника.
Производственные помещения
Производственные помещения, в которых устанавливается технологическое оборудование по запениванию пенополиуретаном шкафов и дверей холодильников, оборудуются системой аварийного выхода, системой освещения во взрывобезопасном исполнении и системой аварийной безопасности в полном соответствии с требованиями общих и местных правил и норм.
Обучение персонала
Включение в технологический цикл такого взрывоопасного вещества, как циклопентан, предполагает повышенный уровень ответственности со стороны как руководящего, так и обслуживающего персонала предприятия.
В этой связи важным компонентом проекта становится обучение персонала всех уровней правилам эксплуатации оборудования и систем безопасности, а также действиям в условиях наступления аварийной ситуации.
Проектная, нормативная и разрешительная документация
Компания — поставщик оборудования обязана предоставить предварительный проект мероприятий по переводу оборудования на циклопентан. При этом данный проект, как правило, выполненный на основе зарубежных норм, непременно должен быть адаптирован к требованиям действующих российских правил, что подразумевает непременное подключение российских проектных учреждений и организаций, имеющих соответствующие разрешения и лицензии.
Кроме того, все помещения, задействованные под хранение, смешивание и заливку систем с циклопентаном, должны соответствовать требованиям российских, общих и местных, правил и норм.
Преимущества циклопентана
Переходя на циклопентан, предприятие получает целый ряд преимуществ, таких как существенное повышение качества и класса энергопотребления выпускаемой холодильной техники, освоение современных технологий, не усугубляющих парниковый эффект, возможность экспорта выпускаемой техники за пределы России, а также сотрудничества и совместной деятельности с основными мировыми производителями.
«Каннон» в свете перехода на циклопентан
Компания «Каннон» одной из первых в мире встала на путь освоения циклопентана в качестве вспенивающего агента. Она стала пионером в деле разработки основных принципов перехода на циклопентан и работы с ним. Сотни предприятий в мире перешли на эту технологию при непосредственном участии «Каннон».
Лидирующее положение в этом деле «Каннон» сохраняет и в России, а также в других странах бывшего Советского Союза. Ниже приводится список предприятий, которые были переведены на циклопентан с помощью «Каннон»:
На всех этих предприятиях оборудование, переведенное на циклопентан и снабженное необходимыми системами безопасности, надежно работает уже много лет. При этом за всю историю эксплуатации не было выявлено ни одного случая аварийной опасности.
Более того, зная, что переход на альтернативные виды вспенивателей неизбежен, компания «Каннон» на протяжении последних 10–12 лет поставляла своим российским заказчикам дозировочно-заливочное оборудование, конструктивные особенности которого позволяют перейти на циклопентан наименее трудоемким и затратным способом.
Вспенивающие агенты для ППУ
Только в конце 2000 года в череде отсрочек была поставлена точка, и производство озоноразрушающиех веществ (ОРВ) в России было прекращено с 20 декабря 2000 года. Крупнейшие предприятия в Перми, Волгограде и других регионах, производившие озоноразрушающие хладоны, остановили их производство. Согласно Копенгагенской поправке и Монреальской корректировке с 1 января 2010 г. по 31 декабря 2014 г. Россия может ежегодно потреблять до 999,23 тонн озоноразрушающего потенциала (ОРП) ГХФУ. С 1 января 2015 г. по 31 декабря 2019 г. потребление должно составлять уже 339,69 тонн ОРП, а с 1 января 2020 г. по 31 декабря 2029 г. — 19,98 тонн ОРП. С каждым годом использование в российской промышленности фреонов должно сокращаться.
Озоновая дыра над Антарктидой
Изображение дыры с камер NASA
Атомы фтора не разрушают молекулы озона, поэтому гидрофторуглероды (ГФУ) безопасны для озонового слоя.
Существующие фреоны можно подразделить на четыре группы:
Основное требование к альтернативным вспенивателям – температура кипения при атмосферном давлении должна находиться в пределах 25-45оС, т.е. вещество должно быть жидкостью при комнатной температуре.
За последнее десятилетие было исследовано большое количество альтернативных вспенивающих агентов в отношении их технологической пригодности, токсичности, воздействия на окружающую среду и экономическую целесообразность. Среди возможных заменителей R 11 рассматривались гидрохлорфторуглероды, гидрофторуглероды, углекислый газ, метилаль, пентаны и некоторые углеводороды. Ниже более подробно рассмотрим те, которые получили наибольшее распространение.
В качестве переходного вспенивателя был предложен гидрохлорфторуглерод R 141b (полностью выведен из обращения в США, Европе и Японии, в перспективе будет запрещен в России), являющийся невоспламеняемым, низкотоксичным веществом, хорошо смешивающимся с полиолом. Главным преимуществом фреоновых напыляемых систем является возможность проводить работы по напылению при отрицательных температурах воздуха без нарушения структуры ППУ. Пенополиуретан обладает хорошей адгезией к поверхности, отличными теплоизоляционными свойствами (низкой теплопроводностью), однородной структурой, высокой пластичностью, оптимальной твердостью, низким водопоглощением, быстрым вызреванием пены. Полиольный компонент имеет низкую вязкость, благодаря чему достигается хорошая растекаемость заливочных систем. Также следует отметить наличие жесткой интегральной корки при использовании фреонов, что недостижимо для водных систем.
Из недостатков фреоновых систем следует отметить высокую стоимость, низкую стабильность пенополиуретана при температурах более 1400С.
На смену фреону R-141b предложены озонобезопасные фреоны, например фреоны R 365mfc, R 227ea –гидрофторуглероды последнего поколения с нулевым ОРП.
Использование циклопентана в качестве вспенивающего агента при получении жестких полиуретановых изоляционных пенопластов началось в 1990-х годах. Переход от фреонов на циклопентан обусловлен его экологичностью. Однако такой переход требует значительных капиталовложений в модернизацию технологического оборудования и обеспечение противопожарной безопасности. В настоящее время практически все производители холодильной техники в мире перешли на использование циклопентана.
Технологические характеристики пенополиуретана при использовании циклопентана не уступают пенам, в которых движущей силой являются R 11 или R 141b.
| Параметр | Углеводородное вспенивание |
| Вспенивающий агент | Вода и углеводороды (н-пентан, изопентан, циклопентан, изобутан) |
| Тип вспенивания | Химический (в стадии инициации) и физический (в стадии роста пены) |
| Коэффициент теплопроводности пены (K–фактор), мВт/м•К | 18-20 |
| Заливочная плотность пены, кг/м3 | 38-42 |
К недостаткам углеводородного вспенивания относится высокая теплопроводность при температурах более 100 0 С.
В странах ЕС применение пенообразователей на основе углеводородов позволило добиться существенных показателей энергоэффективности холодильного оборудования. Дальнейшее развитие технологии углеводородного вспенивания связано с использованием смесей, благодаря которым будут снижены связанные с увеличением плотности пенополиуретана затраты, а теплопроводность при этом не увеличится. Речь, прежде всего, о смесях циклопентана с изопентаном и изобутаном.
Применение циклопентана в качестве альтернативы озоноразрушающим вспенивателям не всегда экономически оправдано, так как требует значительной модернизации производственных линий. В то же время метилформиат, также отличающийся нулевыми ОРП и ПГП, может применяться на оборудовании, предназначенном для работы с R 141b. В настоящее время свойства метилформиата как вспенивающего агента широко используются в США, Бразилии и некоторых странах Европы.
Производство сендвич-панелей (рис.1)
Производство сендвич-панелей на заводе «All Weather Insulated Panel» (рис.2)
Использование метилформиата в качестве замены фреона R 141b, как правило, не требует дополнительных мер безопасности. И фреон R 141b, и метилформиат воспламенимы, однако при соблюдении технологических норм при производстве ППУ достижение концентрации, способной привести к возгоранию, практически исключено. Угрозы для окружающей среды при использовании метилформиата как вспенивающего агента не выявлены.
В начале 90-х компанией BASF в качестве вспенивателя был предложен метилаль для эластичного и интегрального ППУ. Уже в 2000-х метилаль использовался в качестве дополнительного вспенивающего агента в сочетании с н-пентаном, циклопентаном и гидрофторуглеродах. С 2010 метилаль используется в качестве самостоятельного экологически чистого вспенивающего агента для всех типов пен в странах, где озоноразрушающий фреон-141b должен быть выведен из обращения.
Сравнение характеристик напыляемых систем ППУ, изготовленных с применением метилаля и фреона R 141b
| Свойства | Ед. изм. | Метилаль | R 141b |
| Плотность | кг/м3 | 31,5 | 28,6 |
| Теплопроводность (K–фактор) | мВт/м·K | 23,15 | 21,03 |
| Сопротивление сжатию 10 % (паралл.) | кПа | 194,3 | 198,6 |
| Сопротивление сжатию 10 % (перпенд.) | кПа | 181,9 | 183,5 |
Из приведенных данных видно, что снижение теплоизоляционных свойств и сопротивления сжатию при переходе на метилаль являются незначительными.
Наибольший интерес с практической точки зрения представляет использование метилаля в комбинации с:
Частично замещая ГХФУ-141b метилалем, можно получить смесь, относительно безвредную для окружающей среды и при этом негорючую.
В сочетании с н-пентаном метилаль:
В смеси с циклопентаном метилаль:
Гидрофторолефины (далее — ГФО) — коммерческое наименование ряда ГФУ, отличающихся относительно низким ПГП. ГФО позиционируются разработавшими их компаниями DuPont и Honeywell (США) как новый класс экологически безопасных альтернативных вспенивателей. В настоящее время в ряде развитых (США) и развивающихся (Китай, Мексика) стран осуществляется ввод в эксплуатацию мощностей по производству ГФО, что в перспективе должно способствовать их большей доступности.
В январе 2014 года было объявлено о переходе американских предприятий корпорации Whirpool на жидкий вспенивающий агент Solstice®. Новая технология применяется в производстве экологически безопасной и энергоэффективной изоляции для холодильников и морозильников. Благодаря тому, что ПГП нового вспенивателя на 99,9 % ниже, чем у фреона R 245fa — самого распространенного вспенивателя, используемого в американской промышленности, этот переход эквивалентен выводу из эксплуатации более 400 тысяч автомобилей.
В процессе водного вспенивания пенополиуретанов вода и полиол реагируют с изоцианатом, в результате чего выделяется газообразный диоксид углерода (СО2). Именно он и выступает в роли вспенивающего агента. Это один из наиболее безопасных, технологичных и безвредных для окружающей среды методов получения пенополиуретанов. Вода может применяться для получения эластичных пен, а также для вспенивания практически всех известных типов жестких ППУ (теплоизоляция холодильников, сэндвич-панели, изоляция труб, скорлупа, напыление).
Вспениваемые водой ППУ отличаются повышенной прочностью из-за образования в полимере мочевинных звеньев и повышения числа ароматических фрагментов. Более низкая по сравнению с другими вспенивателями температура кипения газа внутри ячеек значительно расширяет возможности эксплуатации вспененных водой/CO2 ППУ при низких температурах.
Коэффициент теплопроводности ППУ, вспененных водой/CO2, находится в интервале 0,027-0,032 Вт/(м•К), хлорфторсодержащих и фторсодержащих вспенивателей 0,021-0,025 Вт/(м•К). То есть, теплоизоляция из ППУ, изготовленных при помощи вспенивания водой/CO2, менее эффективна. Тем не менее, такие ППУ используются для пеноизоляции некоторых холодильных установок (торговых автоматов) и водонагревателей. В водонагревателях невысокая эффективность изоляции компенсируется увеличением ее толщины.
Следует отметить, что напыляемая изоляция, вспененная водой/CO2, отличается относительной хрупкостью, увеличенным временем созревания пены и сравнительно невысокими показателями адгезии к поверхности. Работы по напылению водных систем рекомендуется проводить при положительных температурах.
Также отметим более высокую вязкость полиольных компонентов водных систем, что приводит к ухудшению растекаемости заливочных систем. Несмотря на это, в секторе производства изоляции типа «труба в трубе», а также скорлуп вода/CO2 — один из основных, наряду с циклопентаном, альтернативных пенообразователей, отвечающих критериям эффективности изоляции.
Таблица вспенивающих агентов и их свойства.