Применение смазочных масел в аммиачных холодильных установках

Применение  смазочных масел в аммиачных  холодильных установках

     При выборе смазочных масел для холодильных компрессоров необходимо учитывать, что при эксплуатации холодильной установки выбранное масло будет присутствовать не только в узлах трения компрессора, но и во всей системе холодильного агента. По причине уноса из компрессора масло попадает в систему, где находится в виде смеси хладагент - масло. Именно смесь хладагент – масло представляет собой реальное рабочее тело холодильной машины (РРТ), от свойств которого зависит эффективность работы установки в целом. Если компоненты смеси хладагент-масло взаимно растворяется друг в друге во всём диапазоне эксплуатационных температур, то унос масла из компрессора не может вызвать каких- либо нарушений в работе холодильной установки, т.к. масло в данном случае беспрепятственно возвращается из испарительной системы в картер компрессора.

     Аммиак  практически не растворяется в масле, поэтому проблема возврата масла из системы холодильного агента аммиачных холодильных установок стоит достаточно остро. Масло, попавшее в систему, загрязняет теплообменную поверхность конденсаторов, испарителей, оседает в трубопроводах и технологических резервуарах. По этой причине для аммиачных холодильных установок специально создаются масла с особыми эксплуатационными свойствами. Компаниями REFLO и MOBIL для решения возврата масла из системы аммиачных установок было предложено необычное решение. Вместо того, чтобы искать пути по повышению взаимной растворимости компонентов масло-аммиачной смеси, были созданы масла, обладающие особонизкой растворимостью в аммиаке. На рисунке 1 показана способность масел «REFLO А» растворяться в аммиаке в сравнении с маслами другой основы /www.petro-canada.com/.

Рисунок 1 – Растворимость масел «REFLO А» в аммиаке

при температуре +46⁰С

     Как было сказано выше, на первый взгляд стремление нейтрализовать негативное воздействие масла снижением взаимной растворимости масло-аммиачной смеси выглядит не убедительно, но на самом деле сверхнизкая взаимная растворимость может быть использована для создания эффективных систем разделения масло–аммиачной смеси.

     Как было сказано выше эффективность  работы теплообменных аппаратов  холодильной установки зависит  от свойств компонентов РРТ. Растворимость  жидких хладагентов в маслах повышается с возрастанием температуры. Взаимное расположение слоев в смеси обусловливается соотношением плотностей масла и холодильного агента. Масло при средней плотности 850 кг/м3 будет опускаться на дно теплообменных аппаратов и различных сосудов аммиачной холодильной установки, т.к. жидкий аммиак имеет плотность 650…700 кг/м3 во всём интервале эксплуатационных температур холодильной установки. Данное обстоятельство обуславливает необходимость отбора масла из нижней части сосудов холодильной установки с целью его возврата в компрессор. В противоположность этому, например, во фреоновом испарителе (фреон-22) при температуре -20° С, что соответствует условиям ограниченной растворимости, слой масло - фреон будет располагаться над слоем фреон - масло, так как плотность чистого фреона при этой температуре равна 1350 кг/м3.

     В этой связи необходимо отметить, что  плотность некоторых хладагентов  в значительной степени меняется в зависимости от параметров состояния. Так на пример, плотность жидкого диоксида углерода (от критической точки до тройной) меняется от 600 до 1200 кг/м3 [Алтунин В.В. Теплофизические и термодинамические свойства двуокиси углерода. – М., 1995. – 551 с.]. Совершенно очевидно что существует точка, при которой плотность жидкого СО2 и масла будут равны. Данная точка называется точкой инверсии плотности и для системы двуокиси углерода – масло её координата находится на отметке +12⁰С. На рисунке 2 изображена точка инверсии плотности системы СО2 – масло.

Рисунок 2 - Точка инверсии плотности системы СО2 – масло 

     По  этому поводу необходимо сделать  вывод, что отбор более тяжёлого масла, которое имеет тенденцию  при низкой взаимной растворимости  с хладагентом опускаться на дно  резервуаров, в технологическом  отношении задача несопоставимо  более простая, по сравнению с отбором более лёгкого масла, плавающего сверху хладагента.

     Как было сказано выше, взаимная растворимость  масла и холодильного агента определяет эффективность работы холодильной  установки. В аммиачной холодильной  машине масло оседает в виде пленки на теплообменной поверхности аппаратов, в результате чего создается дополнительное тепловое сопротивление и уменьшается коэффициент теплопередачи. Например, замасливание поверхности испарителя приводит к необходимости работы холодильной машины на более низкую температуру кипения, как следствие дополнительного теплового сопротивления масла. Увеличивается температурный напор в аппаратах, что влечет за собой снижение холодопроизводительности и увеличение удельного расхода энергии на производство холода. Поэтому совершенно необходимо в аммиачной холодильной машине улавливать масло после компрессоров, чтобы препятствовать попаданию его в теплообменные аппараты.

     Масло является высококипящей жидкостью, поэтому повышает температуру кипения  холодильного агента при заданном давлении. Например, при давлении фреона 0,25 МПа температура кипения чистого фреона составляет -7°С, если же концентрация масла будет составлять 50%, то при том же давлении температура кипения раствора будет равна -3°С, а для достижения рабочей температуры кипения -7°С необходимо при наличии масла понижать давление в испарителе примерно на 0,035 МПа.

     Существенное  значение для работы холодильных  установок имеет растворимость (абсорбция) газообразного холодильного агента в масле. Так, аммиак в парообразном состоянии в сравнительно небольшом количестве растворяется в маслах. Данные, характеризующие изменение концентрации аммиака в масле при различных температурах и давлениях приведены в таблице 1 [Труды ВНИХИ. Москва. 1998 – Стр. 12…25].

     Таблица 1 - Изменение концентрации аммиака в масле при различных температурах и давлениях

     Из  данных приведённых в таблице 1 следует, что для уменьшения содержания аммиака в масле перед удалением из системы холодильной установки необходимо понизить его давление и повысить температуру. 

  Конструкции маслоотделителей.

      Если  масло ограниченно растворяется в холодильном агенте, то прежде всего необходимо предотвращать попадание масла в теплообменные аппараты. Для этой цели на нагнетательной линии компрессора устанавливают маслоотделитель. Отделение масла в нем происходит благодаря резкому уменьшению (до 0,5 - 0,8 м/с) скорости паров холодильного агента и изменению направления их движения. В результате этого капельки масла оседают в нижней части маслоотделителя, а пары холодильного агента с остатками масла уносятся в систему.

      Конструктивные  схемы маслоотделителей приведены на рисунке 3. В таких маслоотделителях (рисунок 3 а) используется механический способ отделения масла. В них улавливается в среднем не более 65% масла, захваченного парами холодильного агента из компрессора. Причиной столь малой эффективности маслоотделения является то, что часть масла уносится в парообразном состоянии и не может быть отделена и, кроме того, мелкие капли все же уносятся паром даже при скоростях 0,2 - 0,3 м/с /http://www.trans-service.org/ru.php?section=info&page=s_s_u&subpage=sud_holod_07/.

  а - с изменением направления и скорости потока паров холодильного агента; б -с развитой поверхностью осаждения масла: 1 - крышка съемная; 2 - поплавок клапана; 3 - насадка; в - с водяным охлаждением: 1 - корпус; 2 - рубашка водяная.

  Рисунок 3 - Маслоотделители, работающие по принципу механического разделения масла 

      Маслоотделитель с поплавковым клапаном (рисунок 3 б) обеспечивает автоматический перепуск масла в картер компрессора. Маслоотделитель имеет насадку, однако исследования ВНИХИ показали, что насадка данной конструкции не способствует улучшению отделения масла [Труды ВНИХИ. Москва. 1998 – Стр. 12…25].

      Для более эффективного отделения масла от холодильного агента смесь охлаждают водой, подаваемой в маслоотделитель по змеевику или в рубашку (рисунок 3 в). Вода, подаваемая в маслоотделитель, не должна иметь слишком низкую температуру, так как возможна конденсация части холодильного агента. В установке для этой цели можно использовать воду из охлаждающей рубашки компрессоров или после конденсатора. При охлаждении водой пары масла конденсируются и вследствие этого эффективность отделения масла заметно повышается. Когда установка не работает, подачу воды в маслоотделитель необходимо закрыть.

      Эффективен  аммиачный маслоотделитель (МО) с  промыванием паров аммиака в  смеси с маслом путем пропускания  их через слой жидкого аммиака (рисунок 4).

  а - схема маслоотделителя; б - схема подачи жидкого аммиака в маслоотделитель: I - корпус; II - диски отбойные; III - барботер; в - процессы в s-t - диаграмме.

  Рисунок 4 - Барботажный маслоотделитель 

      Маслоотделители данной конструкции (рисунок 4 а) называют также барботажными. В них пары аммиака, несущие частицы масла, барботируют через слой жидкого аммиака. Пары охлаждаются за счет выкипания жидкого аммиака, непрерывно подаваемого из конденсатора холодильной установки. При этом масло конденсируется и задерживается в маслоотделителе, включая очень мелкие его капли.

      На  рисунке 4 в показаны процессы, происходящие в барботажном МО. Из компрессора пары аммиака поступают в состоянии 2, при барботаже паров происходит их охлаждение - процесс 2 - 3 по линии постоянного давления. Жидкий аммиак в состоянии 4 поступает в МО и выкипает за счет подвода тепла от горячих паров (линия 4 - 3). В состоянии 3 пары поступают в конденсатор. Барботажный маслоотделитель улавливает до 87% масла. С учетом того, что давление в маслоотделителе будет выше, чем в конденсаторе, на величину гидравлических потерь в трубопроводе между конденсатором и маслоотделителем, последний должен быть установлен ниже уровня жидкого аммиака, находящегося под давлением в конденсаторе. Выходное отверстие патрубка, через которое пар подается в маслоотделитель, опускается на 150 - 200 мм под уровень жидкости.

      Схема включения барботажного маслоотделителя  в жидкостную линию между конденсатором и линейным ресивером показана на рисунке 4 б. При такой схеме независимо от колебания уровня жидкого аммиака в линейном ресивере обеспечивается устойчивая подача аммиака в маслоотделитель.

      Барботажные маслоотделители в судовых условиях применяются реже, чем маслоотделители с механическим разделением, так как трудно обеспечить устойчивую подачу жидкого аммиака в маслоотделитель. Барботажный маслоотделитель непригоден для фреоновых установок ввиду высокой растворимости масла во фреоне.

      Выпуск  масла непосредственно из маслоотделителей опасен, так как с маслом выходит некоторое количество аммиака. Поэтому масло выпускают из маслоотделителей и аппаратов в маслосборник, давление в котором предварительно может быть понижено (при меньшем давлении в выпускаемом масле будет меньше аммиака). Еще большего уменьшения содержания аммиака можно достигнуть путем подогрева масла в маслосборнике.

      Несмотря  на установку маслоотделителей, часть  масла все же попадает в конденсатор, ресивер и вместе с жидким аммиаком - в испарители. В двухступенчатой установке масло скапливается также в промежуточном сосуде. Из всех указанных сосудов масло периодически выпускают, как правило, в маслосборники.

      Схема сбора и выпуска масла из промежуточного сосуда (ПС) и маслоотделителя (МО) показана на рисунке 5. На схеме показано подключение маслосборника МС только к двум аппаратам холодильной установки. Аналогично присоединяют к нему и другие аппараты. Для выпуска масла из маслоотделителя прежде всего снижают давление в маслосборнике путем соединения его со всасывающей стороной, открывая вентиль 2, затем открывают вентиль 3 и с помощью вентиля 1 масло из МО перепускают в МС. Для наблюдения за выпуском масла предусматривается смотровое стекло 8. Вместе с маслом в маслосборник попадает аммиак, который после отключения маслоотделителя отсасывается из маслосборника по всасывающей линии. Масло из маслосборника сливается в бак для отработавшего масла.

  I - промежуточный сосуд; II - маслосборник; III - маслоотделитель; 1, 2, 3, 4 и 5 - вентили; 6 - специальный сборник масла; 7 - бак для отработавшего масла; 8 - смотровое стекло.

  Рисунок 5 - Схема удаления масла из системы аммиачной холодильной установки