профессор, д. т.н.
Генеральный директор ГУП «Московский метрополитен»
Академик РА РАН, герой России, профессор, д. т.н.
Новые материалы для систем тепловой защиты объектов ядерной и традиционной
энергетики
В этой статье дается краткая информация о новых материалах предназначенных для построения систем поддержания заданной температуры воздушной среды, методом косвенно-испарительного охлаждения воздуха.
Охлаждение воздуха на объектах высокой ядерной энергетики и других объектов высокой энергетики, является одной из важнейших задач по улучшению условий труда и отдыха людей, а также создания оптимальной среды для работы технологических систем и оборудования. В настоящее время широко распространено кондиционирование воздуха, основанное на компрессии фреонов. Удобство и универсальность этого метода не снимают его недостатков, связанных с высокими энергозатратами и экологическими рисками, пониженной комфортностью подаваемого воздуха, опасностью простудных заболеваний, а также с необходимостью дорогостоящего ремонта и обслуживания оборудования.
Известен и другой подход к решению этой проблемы – косвенно-испарительное охлаждение воздуха. Установки этого типа разрабатываются с 2006 года -Моторс», и производятся на », г. Тула. Эти установки успешно проходят опытную эксплуатацию в Московском метрополитене, охлаждая воздух в технических помещениях, тоннелях, на станциях и в кабинах машинистов поездов. Трехлетний период промышленных испытаний этих систем показал их перспективность для внедрения на объектах ядерной энергетики и других объектах высокой энергетики. Принцип этого метода заключается в использовании для охлаждения воздуха скрытой теплоты испарения воды, которая составляет 2257 кДж/кг (539,4 ккал/кг). Легко подсчитать, что теоретически испарение 1 кг воды эквивалентно охлаждению 100 м3 сухого воздуха приблизительно с 400С до 220С. На практике, в зависимости от конкретных условий, достигается снижение температуры воздуха на 8-170С. К преимуществам данного метода относятся абсолютная экологическая безопасность, в отличие от фреоновых кондиционеров, экономия затрат электроэнергии, комфортность вырабатываемого воздуха, автономность работы установок и простота их обслуживания.
Процесс тепломассообмена в установках косвенно-испарительного охлаждения воздуха реализуется в многочисленных (чередующихся) каналах, через которые нагнетается наружный воздух. При этом часть воздуха (основной поток) проходит через «сухие» каналы и охлаждается за счет теплообмена со смежными «влажными» каналами, в которых второй (вспомогательный) поток воздуха контактирует с увлажненной поверхностью, вызывая интенсивное испарение воды и снижение температуры (Рис. 1, 2). После прохождения тепломассообменного блока охлажденный воздух из «сухих» каналов направляется потребителю, а насыщенный влагой вспомогательный поток сбрасывается в атмосферу (Рис. 1). Увлажненное состояние поверхности поддерживается за счет впитывания и подъема воды в специальном капиллярно-пористом материале, который непосредственно контактирует со стенками «влажных» каналов (Рис.2).
Определяющее значение для эффективной работы установки охлаждения имеет качество капиллярно-пористого материала, к которому предъявляется ряд жестких требований:
1. Необходимое условие долговременной автономной работы установки.
2. Высокие скорости капиллярного подъема влаги и водопоглощения (количество воды, которое способен удерживать 1 г. материала), необходимые для поддержания пластин материала в увлажненном состоянии по всей высоте.
3. Стойкость к длительному воздействию воды (отсутствие набухания), сохранение работоспособности в условиях воздействия микроорганизмов (грибков), а также при накоплении жестких солей.
4. Экономичность: умеренная цена, доступность сырья, простота обслуживания и экологическая чистота технологии производства.
Рис.1. Схема работы установки косвенно-испарительного охлаждения воздуха. 1. Корпус. 2. Поддон с водой. 3. Патрубок для подачи наружного воздуха. 4. Патрубок для выхода основного потока воздуха (потребителю). 5. Патрубок для выхода вспомогательного потока воздуха (в атмосферу). 6. «Влажные» каналы 7. «Сухие» каналы. 8 Пакеты листов капиллярно-пористого материала, 9. Заглушки. Каналы 7 сообщаются с патрубком 4, а каналы 6 с патрубком 5. | Рис.2. Устройство и схема работы тепломассообменной ячейки установки косвенно-испарительного охлаждения воздуха. 1. «Влажный» канал, 2. Капиллярно-пористый материал, 3. «Сухой» канал, 4 – Теплообменные стенки каналов, 5 – Емкость с водой, 6 – Направления движения воздуха в каналах. |
Перечисленным требованиям в определенной степени соответствуют материалы, традиционно используемые для изготовления сепараторов аккумуляторов и выпускаемые рядом зарубежных компаний (Daramic, Hollingworth & Vose, Entek и др.). Производились такие сепараторы и в СССР (мипласт, поровинил, пористый полиэтилен). Общим подходом к их получению было либо спекание заранее гидрофилизированного порошка полимера, либо формование полимерной композиции, содержащей растворимые компоненты, с последующим их вымыванием и образованием пористой структуры. Смачиваемость изделия достигается обработкой специальными растворами.
Использование таких «сепараторных» материалов в установках косвенно-испарительного охлаждения воздуха позволяло в свое время решить эту проблему. Со временем стали очевидны их недостатки:
1. Производительность установок охлаждения, работающих на этих материалах, ограничена скорость капиллярного подъема и водопоглощения. Особенно сильно этот недостаток проявляется в условиях высоких температур и низкой влажности (ядерная энергетика, горячие цеха, жаркий и сухой климат).
2. При использовании жесткой воды капиллярные свойства материала постепенно ухудшаются из-за отложения на его порах солей жесткости.
3. При длительной автономной работе может происходить постепенное вымывание специальных расворов, что приводит к соответствующему снижению гидрофильности и капиллярных свойств.
Анализ перечисленных недостатков показал, что они обусловлены составом, структурой и способом получения этих материалов. Так, низкая скорость капиллярного подъема воды связана с недостаточной гидрофильностью поверхности пор и слишком большим размером капилляров. Водопоглащение определяется низкой пористостью (всего 30-45% для минпласта и около 80% для поровинила). Снижение работоспособности при отложении солей зависит от площади поверхности пор и связана с его химической природой. Негативную роль играет также недостаточное сообщение между порами «закрытость пор».
Новый материал для установок косвенно-испаритель-ного охлаждения воздуха должен обладать следующими параметрами:
1. Высокая гидрофильность поверхности, стойкая при контакте с водой.
2. Развитая поверхность пор при их низком эффективном диаметре, «открытость» пор.
3. Доступность сырья. Простая и экологически чистая технология.
Задача создания такого материала решалась двумя путями: гидрофилизация пористого полиэтилена и создание принципиально нового материала.
Было установлено: Для гидрофилизации пористого материала из полиэтилена, полученного методом спекания, исключительно эффективной оказалась обработка низкоконцентрированными растворами фторорганических веществ группы флактонидов [ТУ 9] в сочетании в ультразвуком. Испытание полученных материалов показало, что скорость капиллярного подъема воды в них не уступает (а в ряде случаев превосходит) этот показатель для традиционного материала показан в таблице 1.
Важно отметить очень высокую водостойкость такого материала. Непрерывная эксплуатация опытной установки охлаждения воздуха в течение нескольких месяцев на диминерализированной воде не привела к снижению ее холодопроизводительности. Несомненным технологическим преимуществом нового метода гидрофилизации является также отказ от применения технического углерода.
При поиске новых капиллярно-пористых материалов наше внимание привлекли композиции на основе минеральных волокон и субмикронных диаметров.
Известно, например, что стекло очень хорошо смачивается водой, а маты из хаотически расположенных стеклянных волокон со средним диаметром 0,35 мкм имеют удельную активную поверхность до 50 м2/г. Очевидно также, что между волокнами существуют значительное свободное пространство. Следовательно, хорошими капиллярно-пористы-ми свойствами может обладать композиция минеральных волокон с микронными и субмикронными диаметрами, при условии достаточного контакта и сцепления волокон. Кроме того, композиция должна иметь листовую форму.
Сравнительная характеристика свойств изученных капиллярно-пористых материалов представлена в Табл.1 и на Рис.3, данные которых показывают существенные преимущества КМСТ перед аналогами. Новый, более высокий уровень капиллярно-пористых свойств КМСТ открывает возможность применения этого материала для конструирования тепломассообменных блоков высокой холодопроизводительности. К числу достоинств КМСТ относятся химическая стойкость (кислоты, окислители, коррозионноактивные среды) и термостойкость. Такие установки могут быть востребованы в ядерной энергетике, в химической, металлургической и других отраслях промышленности.
Таблица 1. Сравнительная характеристика свойств капиллярно-пористых материалов для установок косвенно-испарительного охлаждения воздуха.
Наименование Материала | Высота капиллярного подъема воды, см при 250С за время: | Водопоглощение, % | Примечания | ||
10 мин | 20 мин | 30 мин | |||
Пористый ПЭ, с 0,5% вес. техн. углерода ТУ 80-93, РФ. | 13,5 | 16,5 | 18,0 | 80 – 90 | Водостоек |
Поровинил, ТУ , РФ | 6,0 | 9,0 | 10,0 | 230 – 260 | Ограниченно водостоек, «закрытые» поры |
Мипласт ТУ 5, РФ | 7,2 | 8,6 | 9,0 | 100 – 130 | Ограниченно водостоек, «закрытые» поры |
Материал TREUH 040 фирмы Hollingsworth & Vose, Великобритания | 13,5 | 18,0 | 22,5 | 700 – 800 | Не водостоек. Содержит целлюлозу |
Материал фирмы Daramic, Германия | 14,3 | 18,5 | – | 600 – 700 | Не водостоек. Содержит целлюлозу |
Пористый ПЭ, гидрофилизированный флактонитом К-9 | 13,5 – 14,8 | 16,2 – 17,6 | 17,5 – 19,8 | 70 – 80 | Водостоек |
Композиционый материал для специальной техники ТУ , РФ | 16,6 – 19,7 | 18 – 23 | >25 | 600 – 900 | Водостоек |
Рис.3. Временная зависимость капиллярного подъема водопроводной воды в вертикально расположенных образцах материалов, температура 250С:
 |
1. Пористый ПЭ, содержащий 0,5% вес. технического углерода, 2. Сепаратор фирмы Daramic 3. Композиционный материал для специальной техники на основе стеклянных волокон 4. Сепаратор TREUH 040 фирмы Hollingsworth and Vose.
Интерес представляют также результаты испытания нового капиллярно-пористого материала в особо жестких условиях эксплуатации.
Промышленные испытания были осуществлены в установках охлаждения воздуха мощностью от 300 дом3 /час. Эти установки более двух лет успешно эксплуатируются в автономном режиме в технических помещениях Московского метрополитена.
Выводы:
1. Разработан новый экологически чистый метод получения водостойкого капиллярно-пористого материала на основе пористого полиэтилена минеральных волокон – КМСТ. Показана возможность создания на его основе современных эффективных конструкций установок охлаждения больших объемов воздушной среды, работающих в жестких условиях, характерных для объектов ядерной энергетики и других объектов высокой энергетики.
2. Успешно проведены промышленные испытания установок охлаждения, подготовлено производство для их серийного изготовления и поставки на объекты высокой энергетики.
Литература.
1. , , // Новые технические системы для московского метрополитена, Интеграл, 2008, №1.
2. , , А// Московский метрополитен: безопасность и комфорт, Глобальная безопасность, 2008, №1.
3. , , Б, , и др. – «Способ получения гидрофильного капиллярно-пористого материала»/ Заявка на патент №.
