Analiza układów chłodniczych pod kątem awarii smarowania olejem sprężarek cz. 2.

Układy chłodnicze jednosprężarkowe

Jak powszechnie wiadomo poprawnie zaprojektowana i wykonana instalacja chłodnicza daje pewność długofalowej bezawaryjności pracy urządzenia chłodniczego. I tak dla nowego obiegu z pojedynczą sprężarką nie ma problemu, o ile zachowa się podstawowe wytyczne dla rurociągów. Na rysunku 1. przedstawione zostały zalecenia odnoszące się do instalacji rurociągu ssawnego sugerowane przez firmę Danfoss [4].

Jeśli skraplacz jest usytuowany powyżej sprężarki, konieczne jest zamontowanie syfonu w celu zabezpieczenia powrotu oleju do karteru sprężarki przy postoju urządzenia. Eliminuje to również zassanie ciekłego czynnika przy starcie sprężarki. Na rysunku 2. pokazane jest przykładowe rozwiązanie rurociągu tłocznego.

W większości instalacji ilość oleju, jaką jest napełniona sprężarka jest wystarczająca. Jednak gdy: długość rurociągów przekracza 20 m, znajduje się odolejacz lub jest zamontowanych kilka syfonów, niezbędne jest sprawdzenie poziomu oleju i ewentualne dolanie go do instalacji. Zwykle ilość dolanego oleju nie przekracza 2% napełnienia czynnikiem (nie dotyczy to oleju w odolejaczu, syfonach itp.). Jeśli taka ilość jest dolana, a poziom oleju w sprężarce nadal spada, oznacza to, że powrót oleju z instalacji jest niewystarczający. W instalacjach z kilkoma parowaczami lub skraplaczami sugerowane jest zastosowanie odolejacza. Zgodnie z prawidłową procedurą monterską sprężarkę (agregat skraplający) powinniśmy zamontować na samym końcu. Aby zapobiec przedostaniu się powietrza oraz wykroplenia wilgoci zawartej w powietrzu, należy przedmuchać instalację azotem lub dwutlenkiem węgla. Następnie należy wykonać próbę ciśnieniową gazem obojętnym np. azotem. Prawidłową próbę ciśnieniową należy wykonać, pozostawiając azot pod ciśnieniem na 24 godziny.

Zanieczyszczenia w układzie to jeden z głównych czynników wpływających na obniżenie niezawodności układu i skrócenie czasu eksploatacji sprężarki. Dlatego ważne jest, aby zachować czystość instalacji w czasie montażu. Zanieczyszczenia układu to zazwyczaj:

•    tlenki powstałe przy lutowaniu lub spawaniu, ƒƒ
•    opiłki i fragmenty pochodzące z usuwania pozostałości z zaƒƒkończeń rur,
•    topnik, ƒƒ
•    wilgoć i powietrze.

Należy używać tylko czystych i osuszonych rur miedzianych przeznaczonych do instalacji chłodniczych, a do lutowania stopu srebra. Należy oczyścić każdą część przed lutowaniem, a dodatkowo można jeszcze przedmuchać azotem lub CO₂ lutowaną rurę (o ile nie zabezpieczyło się końców rur przed wykropleniem wilgoci na wewnętrznych ściankach) w celu uniknięcia powstawania tlenków. Jeśli stosowany jest topnik zachować szczególną uwagę na zachowanie szczelności rurociągu. Po zakończeniu i napełnieniu instalacji nie należy w niej wiercić otworów (np. do zaworu Schrädera), ponieważ powstałe w ten sposób opiłki nie mogą być usunięte z układu. Ostrożnie, zgodnie z instrukcją, wykonać lutowanie, badanie szczelności, próby ciśnieniowe i usunięcie wilgoci.

Gdy instalacja nie pracuje, a ciśnienia są wyrównane, czynnik będzie się skraplał w najzimniejszej części układu. Sprężarka także może być najzimniejszym elementem układu np. umieszczona na zewnątrz przy niskiej temperaturze otoczenia. Po pewnym czasie cały ładunek czynnika może ulec skropleniu w karterze sprężarki, a duża jego ilość rozpuści się w oleju, aż do jego nasycenia. Proces ten będzie zachodził szybciej, jeśli inne elementy układu będą umieszczone na wyższym poziomie niż sprężarka. W momencie uruchomienia sprężarki ciśnienie w skrzyni korbowej gwałtownie spada. Przy niskim ciśnieniu mniejsza jest rozpuszczalność czynnika w oleju, następuje więc jego gwałtowne odparowanie z całej objętości oleju, które powoduje wrażenie wrzenia oleju i powstanie dużej ilości piany.

Negatywnymi efektami przemieszczania się czynnika do sprężarki są:


• powstanie roztworu czynnika i oleju, ƒƒ
• piana olejowa może być porwana przez tłoczony gaz i usuƒƒnięta ze sprężarki, a w skrajnych przypadkach może to spowodować uderzenie hydrauliczne olejem,
• w wyjątkowych przypadkach przy dużej ilości czynnika w sprꃃżarce może nastąpić uderzenie cieczowe, co spowoduje uszkodzenie tłoków i ewentualnie korbowodów.
  

Wilgoć utrudnia prawidłowe funkcjonowanie sprężarki i całej instalacji chłodniczej. Powietrze i wilgoć obniżają trwałość i podnoszą ciśnienie skraplania. Powodują też podwyższenie temperatury na tłoczeniu, co może spowodować pogorszenie własności smarnych oleju. Powietrze i wilgoć podnoszą ryzyko powstania kwasów, które mogą prowadzić do uszkodzenia elektrycznego i mechanicznego sprężarki oraz do powstawania zjawiska platerowania (utleniania) części sprężarki miedzią z rurociągów.

Powszechnie stosowaną metodą unikania tych problemów jest odessanie powietrza i pary wodnej w sposób opisany poniżej:


Jeśli to możliwe (zastosowano zawory) odizolować sprężarkę od układu.

• Po sprawdzeniu szczelności odpompować układ do 500 mikronów (jednostka imperialna [0,67 mBar]. Używać dwustopniowej pompy próżniowej o wydajności odpowiedniej do objętości układu. Zaleca się stosowanie dużych rozmiarów przyłączy serwisowych a nie zaworów Schroedera, które powodują duże spadki ciśnienia.
• Po osiągnięciu próżni 500 mikronów odciąć układ od pompy próżniowej. Odczekać 30 min., w czasie których ciśnienie nie powinno wzrosnąć. Jeśli ciśnienie rośnie gwałtownie układ nie jest szczelny. Musi być wykonane ponowne badanie szczelności i odpompowanie od początku. Jeśli wzrost ciśnienia jest powolny, oznacza to wilgoć w układzie. W tym przypadku należy powrócić do drugiego kroku.
• Podłączyć sprężarkę do układu przez otwarcie zaworów serwisowych. Powtórzyć kroki 2 i 3.
• Zrobić lekkie nadciśnienie azotem lub docelowym czynnikiem. Powtórzyć punkty 2 i 3 dla całego układu. Przy uruchomieniu wilgotność może być na poziomie 100 ppm (ppm – części na milion). W czasie pracy filtr osuszacz musi ją zredukować do poziomu poniżej 20 ppm.
  

Uwaga: Nie wolno używać megaomomierza (omomierza indukcyjnego) ani zasilać sprężarki, gdy jest w niej próżnia, gdyż może to spowodować uszkodzenie uzwojeń silnika. Nigdy nie należy uruchamiać sprężarki pod próżnią, gdyż może to spowodować spalenie uzwojeń silnika sprężarki.

Napełnianie instalacji czynnikami zeotropowymi i bliskoazeotropowymi takimi jak R407C i R404A musi odbywać się zawsze cieczą. Pierwsza porcja czynnika powinna być wtłoczona przy zatrzymanej sprężarce i zamkniętych zaworach serwisowych. Ilość czynnika, którą napełnimy w tym etapie powinna być maksymalnie zbliżona do ilości nominalnej. Potem uzupełniać czynnik cieczą na stronę ssawną bardzo wolno przy pracującej sprężarce. Ilość czynnika powinna być odpowiednia zarówno dla okresu letniego jak i zimowego. Przy napełnianiu czynnikiem w instalacjach z zaworem elektromagnetycznym na linii cieczowej, przed uruchomieniem sprężarki należy podnieść ciśnienie (z próżni) po stronie ssawnej.

Poziom oleju w sprężarce musi być sprawdzony przed uruchomieniem (od 0,25 do 0,75 poziomu wziernika oleju). Następna kontrola poziomu powinna nastąpić po 2 godzinach pracy instalacji w nominalnych warunkach.

Wykonując wszystkie powyższe czynności, możemy być pewni, ze instalacja chłodnicza jest prawidłowo wykonana i z pewnością będzie pracować prawidłowo przez długie lata.

Układy chłodnicze wielosprężarkowe [6]


Układy wielosprężarkowe (zestawy sprężarkowe lub z ang. Power Pack) w porównaniu do instalacji z jedną sprężarka wymagają już o wiele większej wiedzy i bogatszego doświadczenia. Równoległe połączenie sprężarek daje wiele korzyści. Przykładowe zdjęcie tandemu sprężarek tłokowych Danfoss Maneurop MTZ pokazano na rysunku 4.

Podstawową korzyścią jest zmniejszenie kosztów eksploatacji, dzięki lepszemu dopasowaniu wydajności chłodniczej i zużycia mocy elektrycznej potrzebnej do napędu sprężarki do rzeczywistych potrzeb. Drugim argumentem przemawiającym za kolektorowaniem sprężarek jest wyższy współczynnik wydajności chłodniczej podczas pracy z obciążeniem mniejszym od obliczeniowego (nominalnego). W układzie wielosprężarkowym przy zmniejszonym obciążeniu część sprężarek jest zatrzymywana, podczas gdy pozostałe pracują z wydajnością zbliżona do nominalnej. Inne sposoby dostosowywania wydajności sprężarek (bez zmiany ich prędkości obrotowej) zawsze wiążą się ze znaczącym spadkiem współczynnika wydajności chłodniczej, szczególnie przy obciążeniu znacznie mniejszym od nominalnego.

Po trzecie stosowanie układów wielosprężarkowych umożliwia minimalizację liczby sprężarek i miejsca. Przykładowo gdybyśmy chcieli zastosować oddzielne agregaty dla np. pięciu komór chłodniczych na tym samym poziomie temperaturowym musielibyśmy mieć o wiele więcej miejsca na zamontowanie agregatów niż jednego zespołu sprężarkowego z np. trzema sprężarkami.

Zapewnienie wystarczającego powrotu oleju z instalacji do sprężarki jest kluczowym zagadnieniem przy projektowaniu instalacji. Aby to osiągnąć, można stosować różne sposoby wyrównania poziomu oleju w skrzyniach korbowych sprężarek.

Sposoby wyrównania poziomu oleju [6], [7]


Układ statyczny [6]
Jest to najprostszy i zarazem najtańszy sposób wyrównania poziomu oleju. Kartery sprężarek i przestrzenie wewnątrz płaszczy sprężarek (w których panuje ciśnienie ssania) są połączone. Dolna rurka łącząca skrzynie korbowe sprężarek, umieszczona poniżej lustra oleju zapewnia przepływ oleju. Ukształtowanie kolektora ssawnego jest niezwykle istotne, gdyż przy pracujących wszystkich sprężarkach warunkuje równe spadki ciśnień i równomierny rozdział oleju powracającego z instalacji. Prawidłowe działania układu ze statycznym wyrównaniem poziomu oleju jest uwarunkowane poprawnym doborem średnic rurociągów, ponieważ nawet niewielkie różnice ciśnienia w skrzyniach korbowych sprężarek przekładają się na znaczne różnice poziomu oleju. System statycznego wyrównania poziomu oleju może być stosowany w przypadku zespołu sprężarkowego składającego się z maksymalnie trzech sprężarek.

Układ dynamiczny [6]
Układy dynamicznego wyrównania poziomu łączą w sobie zalety układów zarówno statycznych jak i mechanicznych, zapewniając niezawodną pracę przy zachowaniu prostoty i niskiego kosztu. Rurociągi ssawne dwóch, pracujących równolegle, sprężarek są połączone trójnikiem z wbudowaną zwężką umożliwiającą oddzielenie kropel oleju od par czynnika. Sprężarka położona najbliżej kolektora ssawnego będzie określana jako sprężarka A, podczas gdy kolejna, zasilana przez zwężkę, jako sprężarka B. Olej spływający po ściankach kolektora ssawnego jest oddzielany przez trójnik od 80 do 100% oleju powraca do sprężarki A. Zwężka w trójniku powoduje pewien spadek ciśnienia w rurociągu ssawnym sprężarki B a wskutek tego również niższe ciśnienie w karterze sprężarki. Nadmiar oleju zgromadzonego w sprężarce A przepływa pod działaniem wytworzonej różnicy ciśnień do sprężarki B. Aby zapobiec przepływowi całego zgromadzonego oleju, końcówka króćca wyrównania poziomu oleju jest wprowadzona do płaszcza sprężarki w taki sposób, że tylko nadmiar oleju przelewa się do rurki wyrównawczej. W ten sposób możliwe jest wyrównanie poziomu oleju w zespołach składających się z maksymalnie 4 sprężarek. Opisany system charakteryzuje się niskim kosztem – nie są stosowane żadne regulatory mechaniczne ani też rurka wyrównania ciśnienia.

Rurociągi powinny być poprowadzone w taki sposób, by zapewniały właściwy powrót oleju, również podczas pracy z minimalnym obciążeniem cieplnym. Należy zwrócić szczególną uwagę na średnice i spadek rurociągów ssawnych. Powinny one być zaprojektowane w taki sposób, by nie gromadził się w nich olej, by podczas postoju czynnik i olej nie spływały swobodnie z parownika do sprężarki. W przypadku pracy z niewielkim obciążeniem cieplnym i niewielkimi prędkościami przepływu czynnika, nie zapewniającymi właściwego powrotu oleju, może być konieczne wykonanie podwójnych odcinków pionowych rurociągu ssawnego. Na rysunku 6. został przedstawiony poprawnie wytyczony rurociąg ssawny dla tandemów sprężarek.

Jeśli parownik jest usytuowany powyżej sprężarki (co często ma miejsce w rozległych systemach), zaleca się odessanie czynnika przed zatrzymaniem sprężarki. Jeśli układ pracuje bez odessania, rurociąg ssawny powinien być tak ukształtowany, by czynnik w parowniku został zasyfonowany. Zabezpieczy to sprężarkę przed spływem czynnika podczas postoju. Jeśli parownik jest usytuowany poniżej sprężarki na odcinkach pionowych powinny być wykonane pułapki olejowe. Uniemożliwi to również gromadzenie się ciekłego czynnika w miejscu montażu czujnika temperatury zaworu rozprężnego.

W przypadku montażu skraplacza powyżej sprężarki na rurociągu tłocznym powinien być wykonany syfon uniemożliwiający spływ podczas postoju oleju lub ciekłego czynnika ze skraplacza do sprężarki (rys. 7).

Rurociągi powinny być tak zaprojektowane, by mogły swobodnie przemieszczać się (odkształcać) we wszystkich trzech płaszczyznach pod wpływem drgań i by nie stykały się z innymi konstrukcjami. Do mocowania do konstrukcji należy używać wyłącznie uchwytów do rur. Takie środki zapobiegawcze są niezbędne, by zapobiec nadmiernym wibracjom i w efekcie pęknięciu rurociągu wskutek zmęczenia materiału lub uszkodzenia (nieszczelności) na skutek przetarcia ścianki. Niezależnie od możliwości uszkodzeń rurociągów nadmierne wibracje są przenoszone na otaczające konstrukcje, powodując hałas o nadmiernym natężeniu.

Zasada działania układu dynamicznego wyrównania oleju w układach tandemowych

Układ ten zapewnia właściwy poziom oleju również wtedy, gdy tylko jedna (dowolna) ze sprężarek pracuje. Kiedy sprężarka A pracuje, powracają do niej pary czynnika i unoszony przez nie olej. Ciśnienie w karterze sprężarki B jest wyższe niż w karterze sprężarki A. Jeśli w karterze sprężarki B zgromadzi się nadmierna ilość oleju (co normalnienie powinno się zdarzyć) różnica ciśnień spowoduje przepływ oleju do karteru sprężarki A. Kiedy pracuje jedynie sprężarka B pary czynnika i część oleju są zasysane przez nią. Większość oleju spływa grawitacyjnie do sprężarki A. Ciśnienie w karterze sprężarki A jest wyższe, dlatego też olej przepływa przewodem wyrównawczym do karteru sprężarki B.

Podsumowanie

W trzeciej części artykułu opiszę uszkodzenia elektryczne sprężarki związane ze spaleniem się silnika elektrycznego oraz przedstawię wytyczne, co zrobić, jeżeli już dojdzie do takiej usterki. Zajmę się także ustaleniem wystąpienia oraz neutralizacją kwasów wydzielonych podczas spalenia się z użyciem środków RECTROSEAL® ACID-DETECTOR i ACID-AWAY.

PRZECZYTAJ CZĘŚĆ PIERWSZĄ

PRZECZYTAJ CZĘŚĆ TRZECIĄ

Autor: Sławomir NOWAK – Specjalista ds. Chłodnictwa WIGMORS

LITERATURA:

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

[2] COOLPACK. Technical University of Denmark 2000 r.

[3] Z. BONCA, D. BUTRYMOWICZ, W. TARGAŃSKI, T. HAJDUK: Nowe czynniki chłodnicze i nośniki ciepła. IPPU MASTA. Gdańsk, 2009 r.

[4] Praca zbiorowa: Poradnik Chłodnictwa. WNT. Warszawa, 1968 r.

[5] Danfoss. Sprężarki tłokowe Maneurope MTZ. Dobór i zastosowanie. 2006 r.

[6] H. J. ULLRICH: Poradnik Chłodnictwa. T.2 wyd. I. IPPU MASTA. 1999 r.

[7] Danfoss. Sprężarki spiralne Performer w zastosowaniach wielosprężarkowych. Dobór i zastosowanie. 2005 r.