ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ХОЛОДИЛЬНОЇ ТЕХНІКИ частина I

Електронний посібник

ГОЛОВНА	ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ	АНОТАЦІЯ	ДОДАТКИ
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ			УКЛАДАЧІ

РОЗДІЛ 3. РОБОЧІ РЕЧОВИНИ ХОЛОДИЛЬНОЇ ТЕХНІКИ

3.3. Оливи

3.3.1. Вимоги до оливи

3.3.2. Типи оливи та їх характеристика

3.3.3. Циркуляція оливи у холодильній установці

3.3.1. Вимоги до оливи

Основним завданням холодильної оливи (рис. 3.21) є зниження тертя, що виникає між рухливими механічними деталями, крім цього воно слугує для підвищення герметичності органів стиску й часткового охолодження деяких компресорів. Для гвинтових компресорів охолодження стає основним завданням, тому що в них олива, змішана з парами, що нагнітаються, дозволяє знизити температуру останніх.

З використанням сучасних екологічних холодильних агентів, виникає необхідність у розробці оливи, для забезпечення належного змащування всіх рухомих частин та відведення тепла від тих вузлів холодильної машини, де виникають значні температурні навантаження.

	Забезпечивши змащення комресора, олива попадає в систему й циркулює разом із холодоагентом, тобто олива в холодильній установці міститься не тільки в компресорі, але, в невеликих кількостях, і в інших елементах установки.
Рис. 3.21. Олива

Внаслідок цього, олива безпосередньо контактує з холодоагентом у широкому діапазоні робочого тиску та температур компресора. Наявність домішок оливи у робочому тілі призводить до зниження холодопродуктивності, збільшення роботи стиснення, зменшення холодильного коефіцієнта і коефіцієнта теплопередачі у випарнику. Тому питання циркуляції олива контуром холодильної системи мають принципове значення.

	У таких умовах олива для компресорів холодильних установок повинна мати цілу низку властивостей, серед яких можна, зокрема виділити такі:
– чистота;
– добрі властивості, в’язкість та плинність за високих і низьких температур;
– висока термічна та хімічна стабільність для всього діапазону параметрів роботи установки (низькі температури застигання та помутніння, високі температури займання та розкладання);
– відсутність негативного впливу на конструкційні матеріали установки та холодоагенти;
– добра змішуванність з холодоагентами;
– низька гігроскопічність.

3.3.2. Типи оливи та їх характеристика

Тип оливи, що використовується, тісно пов’язаний як із конструкцією компресора, так і з його діапазоном робочих температур та тиску, але, передусім, він залежить від типу холодоагенту, що застосовується.

Холодильні оливи (рис. 3.22) розподіляють на дві великі категорії.

У першу категорію входять мінеральні оливи, які отримують у результаті переробки нафти шляхом її дистиляції та рафінації. Розрізняють парафінові та нафтенові мініральні оливи. Парафінові оливи, з огляду на високу в’язкість за високих температур, використовуються насамперед у турбокомпресорах.

Рис. 3.22. Холодильні олива

До другої категорії відносяться синтетичні олива, які отримують шляхом синтезу однієї або двох певних молекул (наприклад, етілена) за чітко фіксованих температур і тиску. Вони складаються з молекул, вибудованих таким чином, що завдяки їхній структурі, оливи мають всі необхідні властивості, що забезпечують потрібні споживачам технічні й вартісні показники (рис. 3.23).

Синтетичні оливи, поділяються на п'ять сімейств: вуглеводнів, які використовують у 40% випадків; ефіри (у 20% випадків); полігліколи (у 33% випадків); ефірні фосфати (у 5% випадків); інші (у 2% випадків ).

Рис. 3.23. Структура мінеральних та синтетичних олив

Основним показником якості будь-якої оливи є її достатня змащувальна здатність. Однак для олив, які використовуються в холодильних установках, додаються експлуатаційні й індентифікацийні характеристики (рис. 3.24).

Рис. 3.24. Показники властивостей оливи

До ідентифікаційних характеристик, у першу чергу, відноситься колір оливи. Ознакою чистоти мастильного засобу, відразу після виробництва, є його колір та прозорість. Свіжа мінеральна олива звичайно має блідо-жовтий колір. Помутніння та потемніння оливи свідчить про наявність високого вмісту води, нерозчинних смолистих речовин або механічних забруднень (пил, продукти хімічної реакції тощо). Явно чорний колір свідчить, як правило, про перегоряння обмотки електродвигуна.

Запах і наявність осаду, як і колір, дозволяють з першого погляду оцінити якість оливи. До ідентифікацийної характеристики можна віднести й щільність оливи, що має перебувати в межах від 0,8 до 0,9 кг/м³.

До основних експлуатаційних характеристик належить змащувальна властивість. Сухе тертя між твердими поверхнями призводить до нагрівання деталей машин і механізмів, появі задирів на їхніх поверхнях і, в кінцевому результаті, до заклинювання деталей тертя. За наявності змащення, тертя відбувається між молекулами рідини, що змащує.

В’язкість. Сили внутрішнього тертя, що виникають у рідині під час її руху, призводять до появи зрушуючих напруг, і характеризуються в’язкістю.

	В’язкість залежить від роду рідини й температури, з підвищенням якої в'язкість зменшується. В’язкість оливи до певної міри є функцією й тиску: за тиску до 10 мПа вона незначно підвищується, а за тисків понад 10 мПа – помітно збільшується. Для визначення в’язкості оливи використовують кінематичний віскозиметр: SVM 4001 (рис. 3.25)
Рис. 3.25. Кінематичний віскозиметр: SVM 4001

Хімічна стабільність холодильної оливи в часі є запорукою нормальної роботи компресора. Вона залежить від температури й природи холодоагенту, що використовується.

Важливим показником є стійкість оливи за впливу на її холодоагенту. У випадку хімічної реакції оливи з холодоагентами можуть утворитися продукти полімеризації: шлам і політура. Шлам викликає закупорку канавок компресора, а політура, відкладаючись на тарілках клапанів, призводить до їх залипання.

Крім цього, причиною хімічної нестабільності оливи може стати присутність у холодильному контурі кисню, за недостатнього рівня вакуумування контуру перед заправленням. Окислюючись, олива змінює колір від блідо-жовтого до коричневого.

Низька гігроскопічність оливи – це ще одна риса, яку повинно мати холодильна олива. Наявність води у холодильній установці (крім усіх шкідливих наслідків для установки) погіршує мастильні властивості, сприяє утворенню кислот, які призводять до корозії установки. Вода розчиняється в оливі у порівняно невеликій кількості. Розчинність води збільшується з підвищенням температури й залежить від типу оливи. У синтетичних оливах розчинність води значно вища, ніж у мінеральних та вуглеводних.

Прийнято вважати, що олива ще може циркулювати по трубопроводах за температури на 6-10 ⁰С вище температури застигання, під час якої олива повністю втрачає свою рухливість. Так як у циркулюючій оливі знаходиться розчинений холодильний агент, то температура застигання такого розчину нижча, ніж чистої оливи. Тому можна застосовувати оливу за температур більш низьких, ніж температура застигання.

Низькі температури застигання та помутніння також є характерними рисами, які повинні мати оливи для холодильних установок. За низьких температур осаджуються частинки парафінів, шо ускладнює повернення оливи до компресора, закупорюються оливні канали та елементи ТРВ (особливо це загрожує капілярним трубкам). Дотримання умови щодо забезпечення відповідно низької температури застигання оливи є необхідним, з огляду на те, що у низькотемпературній частині холодильної установки, особливо у випарнику, може відбуватися осідання оливи на стінках апаратів. Це значною мірою ускладнить теплообмін між холодоагентом та середовищем й практично унеможливить відведення оливи з таких апаратів.

	Температуру спалаху олииа визначають у відкритому тиглі під час піднесення полум’я (рис. 3.26).
	Рис. 3.26. Аналізатор температури спалаху в закритому тиглі Тага ATG-8

Спалах оливи пов’язаний з переходом частини їїв пароподібний стан. Тому чим нижча температура спалаху, тим більше оливи несеться з компресора в пароподібному стані. Таку оливу важко утримати у пристрої для відділення оливи. Найкращі щодо цього – синтетичні оливи.

У холодильних установках, через відсутність повітря, не існує безпосередньої загрози займання оливи, але після перевищення температури термічного розкладання відбувається розкладання оливи та вивільнення з неї летких речовин, що негативно позначається на оливних властивостях (хімічна стабільність оливи погіршується).

Згідно з міжнародними вимогами температура спалаху мінеральної холодильної оливимає бути не нижчою 160 ‒ 180 °С.

Показником кислотності (кислотним числом) називають кількість лугу в міліграмах необхідну для нейтралізації кислот, що утримуються в одному грамі оливи. Це число залежить від загальної кількості кислотних продуктів, що містяться в оливі, та виражається кислотним числом TAN (Total Acid Number). Високе значення кислотного числа вказує на перегрів або окислювання оливи, а також на розкладання холодоагенту. Наявність кислот у контурі холодильної машини призводить до їхньої взаємодії з мідними деталями й, у першу чергу, з обмоткою електродвигунів герметичних і напівгерметичних компресорів.

Взаємна розчинність оливи з холодоагентом істотно впливає на характеристики та роботу холодильної машини і компресора. Холодопродуктивність, енергетичні показники, пускові характеристики компресора, теплообмін в апаратах, циркуляція олива та надійність роботи компресору значною мірою визначається теплофізичними властивостями реального робочого тіла.

Основна суперечність, під час вибору оливи для компресійних холодильних машин, полягає в тому, що кращі умови змащування та ущільнення компресорів досягаються під час застосування оливи з низькою розчинністю, у той час як нормальна циркуляція оливи у системі забезпечується в результаті доброї взаємної розчинності.

Нерозчинність оливи у холодоагенті є дуже бажаною, оскільки тоді не виникають явища спінювання оливного засобу в картері під час зниження тиску і проблеми зі зміною її в’язкості. У свою чергу, для уможливлення повернення оливи до компресора, здатність оливи утворювати розчини з холодоагентом у повному діапазоні робочих температур установки є безумовною перевагою. Однак слід пам'ятати про факт появи ділянок обмеженої змішуваності (ділянки розшарування). Вони виникають за критичних температур, коли суміш розшаровується на холодоагент і оливу. Знання про розміри ділянок обмеженої змішуваності відіграє також надзвичайно істотну роль, з точки зору відведення оливи з випарника. Тому добір олии, що відповідає холодоагенту, має ключове значення.

3.3.3. Циркуляція оливи у холодильній установці

У компресорних холодильних установках і кондиціонерах малої та середньої потужності, обладнаних герметичними компресорами, олива відіграє особливо важливу роль. Його досить помітна присутність у холодильній установці викликана безпосереднім контактом робочого агенту з оливою усередині компресора. Основне завдання оливи, а саме забезпечення змащування частин, які механічно співпрацюють та відведення тепла тертя, доповнюється охолодженням привідного двигуна, розміщеного всередині корпусу герметичного компресора. Двигун та компресор працюють в атмосфері розчину агента й оливи, які всмоктуються у циліндр компресора і таким чином олива потрапляє до холодильного контуру, а його частка в холодоагенті становить близько 10%.

Серед холодоагентів можна виділити такі, що практично не змішуються з оливою, і такі, що утворюють з оливою розчини.

У перших з них, оливу можна механічно відділити від агента і, в майже чистому вигляді, повернути назад до компресора.

У другій групі агентів, відокремленню підлягає розчин оливи з агентом, а після цього до компресора разом з оливою повертається також холодоагент. Ця здатність утворювати розчини призводить до того, що збільшується здатність проникнення агента через нещільності установки, а також обов'язково відбувається (для досягнення заданої температури випаровування) утворення у випарнику тиску, нижчого за потрібний за чистого агента. Проте утворення розчинів водночас полегшує повернення оливи з апаратів установки до компресора. Загалом у оливі розчиняється тим більше холодоагенту, чим вищим є тиск та чим нижча температура розчину, причому вплив тиску набагато більший за вплив температури. У зв’язку з цим під час роботи компресора в оливізнаходиться мало агента, натомість його кількість значно зростає під час зупинки.

Під час тривалої зупинки компресора (з відкритими вентилями) тиск у системі збільшується, і олива в картері буде насичуватися холодоагентом доти, поки концентрація оливи в ньому не стане такою ж, як у випарнику. Це явище має наслідком те, що під час запуску компресора, коли тиск у картері швидко падає, у оливі з’являється значний надлишок агента, який перевищує стан рівноваги. У такій ситуації агент швидко випаровується, причому це випаровування є настільки інтенсивним, що відбувається сильне спінювання оливи, яке у великій кількості потрапляє у компресор, що може спричинити всмоктування оливи у циліндр та його пошкодження. Цьому явищу можна запобігти застосуванням нагрівачів картера компресора та систем попереднього вакуумування компресора перед вимкненням.

У першому випадку нагрівач вмикається перед запуском компресора, завдяки чому температура оливи підвищується до такого рівня, коли вміст агента досягає стану, близького до стану рівноваги під час роботи компресора. Другий метод, навпаки, полягає в тому, щоб перед зупинкою компресора з низьконапірного боку установки створити дуже низький тиск, через що майже повністю з нього буде видалений холодоагент. Відбувається це таким чином, що термостат вимикає електромагнітний клапан на лінії рідини, а компресор працює до того часу, поки автоматичний пресостат низького тиску не вимкнеться.

Циркуляція оливи в холодильній установці розпочинається в компресорі, де (залежно від типу конструкції компресора) частина оливи підхоплюється парою холодоагенту та з нею розповсюджується каналами установки. Для повернення оливи до компресора виникають різні перешкоди, тому в першу чергу намагаються забезпечити умови, за яких якомога менше оливи виносилося з компресора. Завдяки поєднанню всмоктувальної камери та картера разом із потоком агента підхоплюється мастильний туман. Це явище особливо інтенсивно відбувається під час фази запуску за випаровування певної кількості агента, яка накопичилася в картері компресора, що призводить до спінювання оливи.

Потік оливи зростає разом із підвищенням температури, тому він найбільший під час стиснення в діапазоні, який відповідає установкам кондиціонування. З іншого боку, варто водночас зазначити, що частка оливи в агенті є найбільшою за низьких температур, оскільки зменшується потік циркулюючого холодоагенту, а кількість оливи, що надходить, залишається тією самою. За наявності значної кількості оливи, що витісняється компресором (у великих установках), з нагнітального боку компресора має бути встановлений високоточний оливовіддільник. Але ідеальних апаратів немає ‒ точність найкращих оливовіддільників сягає близько 97%. З огляду на це, необхідно правильно прокладати трубопроводи.

У конденсаторі олива, яке надійшло разом із парою холодоагенту, може осідати на стінках обмінника, що призводить до погіршення умов теплообміну, а отже, й до зменшення корисної тепловіддачі цього апарата.

На шляху подальшого руху розчину холодоагент‒олива знаходиться дросельний елемент, у якому внаслідок швидкого падіння тиску і температури суміші, що протікає, може розпочатися осадження парафінів, а в результаті – закупорювання цього елемента.

У випарнику олива, шо міститься в холодоагенті, вивільнюється, одночасно за низьких температур зменшується його плинність. У зв’язку з цим необхідно забезпечити належну подачу робочого агента до сухих випарників, щоб у всмоктувальному каналі компресора досягти швидкості протікання його пари, яка забезпечує відведення оливи до компресора. Багато проблем створює повернення оливи у фреонових затоплених випарниках, у яких агент відсмоктується з ділянки випаровування над поверхнею рідини й, у зв’язку з цим, не може спрямувати оливу, що подається до цього обмінника, до всмоктувального каналу.

В аміачних пристроях, через нерозчинність аміаку в оливі мінерального походження, олива підхоплюється агентом та надходить з ним каналами до апаратів, де частина оливи осідає на стінках, погіршуючи умови теплообміну, а решта стікає до нижньої частини апаратів. Відокремлення оливи слід здійснювати з використанням спеціального пристрою, який вмонтований у найнижчому місці випарника, де накопичується важче за аміак олива. Для зменшення кількості оливи, що потрапляє до циркуляційного контуру, з нагнітального боку компресора встановлюється відповідний оливовіддільник.

Присутності в холодоагенті оливи не можна уникнути. Це змушує шукати таке конструктивне рішення холодильної установки, яке б забезпечувало повернення оливи до компресора. Забезпечення належної циркуляції оливи в холодильній установці значною мірою залежить, власне, від відповідного прокладання трубопроводів. Під час вибору діаметра та прокладання каналів потрібно пам’ятати про те, що вони слугують не тільки для циркуляції робочого агента, а й виконують завдання повернення назад до компресора оливи, яке було винесене з нього.

	Питання для самоконтролю
1. Які властивості повинна мати олива? 2. Що є ознакою чистоти оливи? 3. Які властивості оливи гарантують утворення масляної плівки на поверхнях? 4. Чому у холодильних установках не існує безпосередньої загрози спалаху оливи? 5. Вплив гігроскопічності оливи на роботу холодильної установки? 6. Основне призначення оливи. 7. Позитивні та негативні здатності оливи утворювати розчин з холодоагентами.

Попередня тема

На початок