Analiza układów chłodniczych pod kątem awarii smarowania olejem sprężarek cz. 1.

W artykule przedstawiono analizę pracy sprężarki pod kątem smarowania olejem elementów ruchomych

Cz. 1. Czynniki chłodnicze i olej w instalacji

W układach chłodniczych niezbędnym urządzeniem do zrealizowania lewobieżnego obiegu chłodniczego jest sprężarka, która, po doprowadzeniu do niej pracy napędowej z zewnątrz, pozwala na odebranie ciepła niskotemperaturowego w parowaczu, następnie sprężanie czynnika chłodniczego i oddanie go w skraplaczu na wyższym poziomie temperaturowym – zgodnie z II Zasadą Termodynamiki.

Sprężarki dzielimy ze względu na zasadę działania i budowę.

Termodynamiczna analiza pracy napędowej sprężarki nie zostanie omówiona, ze względu na obszerność tematu i jego dostępność w literaturze naukowej (np. W. Warczak „Tłokowe sprężarki ziębnicze” WNT W-wa 1972). Obszar analizy zostanie zawężony do awarii sprężarek tłokowych objętościowych i poprawności wykonywania czynności po spaleniu się uzwojenia silnika sprężarki. Obiegi chłodnicze rozpatrujemy na podstawie obiegu suchego przegrzanego Lindego (obieg idealny lewobieżny). Przykładowy obieg został przedstawiony na wykresie log p-h.


Czynniki chłodnicze

Czynnikiem chłodniczym nazywamy taki płyn, który pracując przy niskiej temperaturze i niskim ciśnieniu, pobiera ciepło z otoczenia i w ten sposób powoduje obniżenie jego temperatury. Następnie ciepło jest oddawane przy wysokiej temperaturze i ciśnieniu do innego otoczenia. Czynniki chłodnicze powinny się charakteryzować następującymi właściwościami:

• ujemną wartością normalnej temperatury ƒwrzenia w warunkach normalnych,
• niską jednostkową pracą sprężania wspr,
• wysoką właściwą wydajnością chłodniczą qo,
• wysokim współczynnikiem przejmowania ciepła w procesach skraplania i wrzenia,
• niskim punktem krzepnięcia oraz wysokim punktem krytycznym,
• małą masą cząsteczkową,
• pełną stabilnością chemiczną w pełnym zakresie temperatury pracy oraz obojętnością chemiczną w stosunku do wszystkich materiałów zawartych w urządzeniu,
• niezdolnością do tworzenia mieszanin wybuchowych z powietrzem,
• małą lepkością (żeby przepływ czynnika nie tworzył zbyt dużych oporów hydraulicznych),
• pracą w nadciśnieniu przy najniższej temperaturze w parowaczu (aby nie nastąpił dopływ powietrza i wilgoci z otoczenia),
• małą objętością właściwą pary nasyconej suchej (mniejsze wymiary sprężarki),
• zdolnością do rozpuszczania niewielkiej ilości wody (wymrożenie wody np. przed zaworem rozprężnym),
• być niepalne i nietrujące,
• nie mogą niszczyć oleju smarnego,
• zerowym potencjałem niszczenia warstwy ozonowej ODP,
• niskim potencjałem efektu cieplarnianego GWP,
• być łatwo wykrywalne w przypadku nieszczelności,
• mieć niską cenę.

Z uwagi na cały szereg prac naukowych na temat czynników chłodniczych, nie będę opisywać w tej pracy właściwości cieplnych i fizykochemicznych wszystkich czynników. Ograniczę się do opisania mieszalności z olejami czynników syntetycznych, które są najczęściej stosowane w praktyce, czyli: R22 (do 2015 r. dopuszczony do pracy w starych instalacjach), R134a, R404A, R507, R407C, R410A oraz R290 i R600a.

Czynnik chłodniczy R22 (HCFC 22) [3]

Czynnik R22 należy do czynników o ograniczonej rozpuszczalności, zarówno w olejach mineralnych, jak i syntetycznych, w określonym zakresie temperatury i ciśnienia. Powyżej pewnej temperatury krytycznej tkr zachowuje się on podobnie, jak czynnik o nieograniczonej rozpuszczalności. W związku z tym cechuje się przerwą rozpuszczalności ograniczoną przez tzw. krzywą rozpuszczalności (rozwarstwienia), wykazującą maksimum przy określonym stężeniu oleju. W takim przypadku mamy do czynienia z: roztworem R22 z olejem przy t > tkr oraz z mieszaniną niejednorodną czynnika z olejem przy t < tkr. Obniżenie temperatury roztworu R22 (olej poniżej krzywej rozwarstwienia) powoduje tworzenie się mieszaniny niejednorodnej, składającej się z dwóch faz ciekłych: ubogiej w olej i bogatej w olej. Na skutek różnicy gęstości, faza bogata w olej ma tendencję do tworzenia warstwy wypływającej na powierzchnię mieszaniny. Proces ten jest odwracalny – przy podwyższeniu temperatury powyżej krzywej rozpuszczania, ponownie tworzy się roztwór. Wartość temperatury tkr oraz kształt krzywych rozpuszczalności zależy od gatunku oleju, dlatego najlepiej stosować oleje o niskiej temperaturze rozpuszczania, w celu zachowania roztworu czynnik-olej.

Czynnik chłodniczy R134a (HFC 134a) [3]

Powyższy czynnik w bardzo ograniczonym zakresie tworzy roztwory z olejami mineralnymi MO i alkilobenzenowymi. Właściwość ta wymusza stosowanie olei polialkaglikolowych PAG lub olei poliestrowych POE. Jednak i z tymi olejami R134a nie wykazuje całkowitej rozpuszczalności. W przypadku olei PAG przerwę rozpuszczalności obserwuje się powyżej 60°C (w zależności od gatunku oleju), przy czym wraz ze wzrostem lepkości oleju spada temperatura krytyczna nierozpuszczalności. Niektóre oleje PAG (o niskiej lepkości) odznaczają się nawet nieograniczoną zdolnością do tworzenia roztworu z R134a, za którą idzie jednak niedostateczna stabilność termiczna. Dla olei POE przerwy rozpuszczalności występują najczęściej przy niższych wartościach temperatury.

Z uwagi na wysoką higroskopijność i niezadowalającą stabilność, większości olei PAG, do współpracy z R134a stosuje się oleje POE, choć są gorsze pod względem rozpuszczalności w niższej temperaturze. Wyjątkiem jest tu klimatyzacja samochodowa, gdzie stosowane są oleje PAG (przy rezygnacji z użycia niektórych materiałów konstrukcyjnych, np. stopów miedzi i uszczelniających).

Czynnik chłodniczy R507 (HFC 507) [3]

Czynnik ten jest mieszaniną dwóch czynników z grupy HFC o składzie procentowym: 50 proc. R143a i 50 proc. R125 i nie wykazuje zdolności do rozpuszczania się z olejami alkilobenzenowymi AB i mineralnymi MO. Najkorzystniejszymi olejami dla czynnika R507 są oleje POE. Rozpuszczalność tego czynnika z olejami POE jest także w tym przypadku funkcją temperatury i składu chemicznego. Oleje o wysokim współczynniku lepkości kinematycznej charakteryzują się większymi obszarami nierozpuszczania się oleju z czynnikiem chłodniczym.

Czynnik chłodniczy R407C (HFC 407C) [3]

Czynnik R407C jest mieszaniną trzech czynników z grupy HFC o następującej proporcji: 23 proc. R32, 25 proc. R125 i 52 proc. R134a, dla którego optymalnymi olejami są oleje poliestrowe POE. Rozpuszczalność tego czynnika z tymi olejami jest funkcją temperatury i składu objętościowego w mieszaninie olejczynnik chłodniczy. W tym przypadku również oleje o wysokim współczynniku lepkości kinematycznej posiadają obszary nierozpuszczania się z czynnikiem chłodniczym. R407C nie wykazuje zdolności do rozpuszczania się z olejami alkilobenzenowymi AB i mineralnymi MO, co oznacza, że w całym zakresie temperatury czynnik i olej stanowią dwie oddzielne fazy.

Czynnik chłodniczy R410A (HFC 410A) [3]

Czynnik ten jest mieszaniną dwóch czynników z grupy HFC w równych stężeniach procentowych: 50 proc. R32 i 50 proc. R125 i jest rozpuszczalny z olejami poliestrowymi POE, ale nie wykazuje rozpuszczalności z olejami alkilobenzenowymi AB oraz mineralnymi MO. Stąd wiemy, że w całym zakresie temperatury czynnik i olej (MO lub AB) stanowią dwie odrębne fazy i nie należy ich stosować z tym czynnikiem.

Czynnik chłodniczy R290 Propan C3H8 [3]

Propan, jako węglowodór nasycony, w instalacjach chłodniczych jest mieszalny z olejem mineralnym o podwyższonej lepkości w stosunku do olejów współpracujących z czynnikami chlorowcopochodnymi.

Czynnik chłodniczy R600a Izobutan (CH3)3–CH [3]

Izobutan posiada zdolność do tworzenia roztworów z olejem mineralnym. Z uwagi na bardzo dobrą rozpuszczalność, zaleca się korzystanie z olejów o bardzo wysokiej klasie lepkości. Odpowiednimi olejami są oleje alkilobenzenowe AB i półsyntetycznie środki smarne, sporządzone na bazie olejów mineralnych i AB. Może on też współpracować z olejami polialfaolefinowymi PAO lub poliestrowymi POE, nawet przy większym zawilgoceniu instalacji niż to jest dopuszczalne dla czynników HFC. Oleje PAO zaleca się do pracy niskotemperaturowej. Z niektórymi olejami polialfaglikolowymi PAG izobutan tworzy roztwór w całym zakresie mieszalności, a z niektórymi wykazuje częściową rozpuszczalność. Z olejami silikonowymi nie wykazuje mieszalności w całym zakresie.

Olej w instalacji chłodniczej

Instalacje chłodnicze często pracują z czynnikami chłodniczymi o nieograniczonej wzajemnej rozpuszczalności w oleju. Olej, krążący w instalacji chłodniczej, musi powrócić z powrotem do sprężarki (obieg olejowy). Czynnik rozpuszczony w oleju umownie nazywamy ciekłym. Olej, powracający z zasysanymi parami, częściowo dostaje się do karteru sprężarki. Część jego dostaje się do cylindrów i ponownie jest przetłaczana do rurociągu tłocznego.

Z upływem czasu w obiegu ustala się stan równowagi, przy którym ilość oleju w elementach instalacji chłodniczej pozostaje niezmienna, a ilości unoszonego z układu do sprężarki i dostającego się do niej z powrotem oleju są sobie równe. Ilość krążącego oleju wynosi od 10 do 15 proc. ilości substancji czynnika chłodniczego. Jednak im lepiej olej oddziela się w sprężarce z zassanych par, tym mniejszy jest jego udział substancjalny w krążącym czynniku.

Dlaczego nie umieszcza się odolejaczy na przewodzie tłocznym sprężarki?

W instalacjach chłodniczych średnio- i wysokotemperaturowych (podział ze względu na temperaturę odparowania) zwykle nie umieszcza się odolejaczy na przewodzie tłocznym sprężarki, gdyż dopływający z nich do karteru sprężarki olej zawiera znaczne ilości rozpuszczonego czynnika chłodniczego, bezużytecznie wypełniającego objętość roboczą cylindra. Zawartość czynnika w oleju wzrasta jeszcze bardziej, gdy odolejacz oddaje ciepło i zbliża się do temperatury skraplania tk. Olej z rozpuszczonym w nim czynnikiem chłodniczym powraca grawitacyjnie z parowaczy przepływowych do rurociągu ssawnego i dalej do sprężarki. Aby usunąć olej z parowaczy płaszczowo-rurowych, konieczne jest odessanie z nich par mokrych, zawierających drobiny ciekłego czynnika z rozpuszczonym w nim olejem. W wymienniku ciepła następuje osuszenie i przegrzanie pary. Gdy para, dopływająca do sprężarki, jest przegrzana (o 30 - 40 K) ponad temperaturę nasycenia, w oleju pozostaje tylko nieznaczna ilość rozpuszczonego czynnika, nie mająca praktycznie wpływu na wydajność sprężarki. Gdy czynniki chłodnicze mają w roztworze z olejem strefę niemieszalności, przy temperaturze odparowania leżącej poniżej temperatury krytycznej rozpuszczania, ciecz w parowaczach rozwarstwia się na dwie fazy. Olej (z rozpuszczonym czynnikiem), występujący w ciekłym czynniku w postaci zawieszonych w nim drobin, osiada na powierzchniach wymiany ciepła i wypływa na powierzchnie cieczy, utrudniając proces wrzenia czynnika. Parowacze przepływowe charakteryzują się znacznym oporem przepływu dla ciekłego czynnika; spadek ciśnienia może osiągać kilkaset Pa. Temperatura wrzenia wzdłuż takiego parowacza zmienia się przy obniżeniu ciśnienia oraz wskutek wzrastania zawartości oleju w czynniku.

Wpływ oleju na działanie urządzeń chłodniczych

Ilość oleju w obiegu powinna być minimalna. Wpływ oleju na działanie urządzeń chłodniczych przedstawia się następująco: przy określonej temperaturze wrzenia ciśnienie powinno być utrzymywane niższe niż przy braku oleju, w wyniku czego obniża się wydajność masowa oraz wydajność chłodnicza sprężarki. W parowaczach przepływowych temperatura wrzenia w miarę przepływu cieczy podwyższa się, co prowadzi do zmniejszenia różnicy temperatury na odpływie i konieczności zwiększenia powierzchni wymiany ciepła wymiennika. Wydajność sprężarki obniża się jeszcze bardziej w wyniku odparowywania czynnika chłodniczego z oleju powracającego do sprężarki, a także z powodu zmniejszenia sprawności objętościowej sprężarki, w związku z cyklicznym rozpuszczaniem się czynnika w oleju znajdującym się w cylindrze.

Współczynniki wnikania ciepła w skraplaczu i parowaczu zmieniają się z powodu różnych fizycznych właściwości czystego czynnika i roztworu oleju z czynnikiem. Oprócz tego, w urządzeniach niskotemperaturowych przy czynnikach o ograniczonej rozpuszczalności oleju, olej może osiadać na powierzchniach wymiany ciepła w parowaczach. Możliwe jest również krzepniecie oleju. Po stronie niskiego ciśnienia z oleju mogą wydzielać się parafiny w postaci krystalicznej lub bezpostaciowo.

Podsumowanie

W drugiej części artykułu przedstawione zostaną rozwiązania układów olejowych z pojedynczymi odolejaczami oraz centralnym odolejaczem. Zostanie zwrócona uwaga na symptomy uszkodzenia uzwojenia elektrycznego oraz zawarte w niej będą wskazówki, co zrobić, jeżeli już dojdzie do zwarcia masy silnika elektrycznego sprężarki. Opisana zostanie prawidłowa procedura poprawy i wymiany nowej sprężarki po spaleniu uzwojenia z użyciem testera kwasowości ACID-DETECTOR oraz neutralizatora ACID-AWAY.

Autor: Sławomir NOWAK – Specjalista ds. Chłodnictwa WIGMORS

LITERATURA:

[1] L. CANTEK, M. BIAŁAS: Sprężarki chłodnicze. Wydawnictwo PG. Gdańsk, 2003.

[2] COOLPACK Technical University of Denmark 2000.

[3] Z. BONCA, D. BUTRYMOWICZ, W. TARGAŃSKI, T. HAJDUK: Nowe czynniki chłodnicze i nośniki ciepła. IPPU MASTA. Gdańsk.

[4] Praca zbiorowa: Poradnik Chłodnictwa. WNT. Warszawa.

[5] Danfoss sprężarki Maneurop MT/MTZ. Wskazówki montażowe. Grodzisk Maz., 2001.