Смазка компрессоров холодильных машин занимает специальное место в технологии компрессорных масел. Ожидаемая долговечность компрессоров холодильных машин непосредственно связана с высоким качеством используемых масел. Взаимодействие с различными веществами, с которыми находятся в контакте масла для холодильных машин, и особенно экстремально высокие и экстремально низкие температуры их применения обусловливают очень специфические требования, предъявляемые к рефрижераторным маслам. Основная функция компрессорного масла заключается в смазке поршней или роторов, уплотнении клапанов и, в некоторых случаях, уплотнении контактных колец. Кроме того, масло должно рассеивать тепло от горячих узлов компрессора и способствовать уплотнению камер сжатия и клапанов. Масло для компрессоров холодильных машин служит в качестве гидравлического регулятора и функциональной жидкости в компрессорах холодильных машин. Очень важно, чтобы холодильное масло, достигающее холодных секций контура в виде масляных паров или масляного тумана либо в результате разбрызгивания, при любых условиях эксплуатации возвращалось в компрессор с помощью механических средств (масляного сепаратора) или с потоком хладагента (растворимость хладагента).
2. Минимальные требования к маслам для холодильных машин
Основные требования к маслам для холодильных машин изложены в DIN 51 503-1. Этот стандарт определяет основные требования к маслам данного типа в зависимости от среды, подвергаемой сжатию. Внедрение новых, не содержащих хлора полярных хладагентов типа HFC R134а (вместо CFC R 12) привело к необходимости пересмотра стандарта DIN 51 503, который в ноябре 1997 г. был модифицирован под названием DIN 51 503-1.
2.1. DIN 51503-1: Масла для холодильных машин, минимальные требования.
Масла для холодильных машин классифицируют по группам в алфавитном порядке в зависимости от хладагентов, подвергаемых сжатию:
КАА — холодильные масла, нерастворимые в аммиаке, аммиачные (NH3) масла;
КАВ — холодильные масла, растворимые в аммиаке, аммиачные (NH3) масла;
КС — холодильные масла для частично и полностью галогенизированных, фторированных и хлорированных углеводородов (CFC, HCFC);
KD — холодильные масла для частично и полностью фторированных углеводородов (FC, HFC);
КЕ — холодильные масла для углеводородных хладагентов, таких как пропан или изобутан.
Имеющиеся типы хладагентов содержатся в DIN 8960 и в стандарте ASHRAE (ANSI/ASHRAE 34-1992) Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха. Помимо внешнего вида, плотности (ISO 3675) и вязкости (DIN 51 550) обязательным является определение еще ряда свойств:
Однако данный набор свойств не всегда дает достаточно информации для того, чтобы сделать вывод о пригодности того или иного рефрижераторного масла. В табл. 1. приведены обзорные данные по представленным на рынке важнейшим хладагентам и холодильным маслам.
Критерии оценки холодильных масел содержатся в DIN 51503-2.
3. Классификация холодильных масел
3.1. Минеральные масла (ММ) — депарафинизированные нафтеновые холодильные масла
Нафтеновые минеральные масла по-прежнему являются важнейшей группой масел для компрессоров холодильных машин, применяющих аммиачные (NH3) хладагенты наряду с CFC и HCF (например, R27). Нафтеновые минеральные масла — это масла, содержащие более 38% углерода в нафтеновых X(N) связях. Нафтеновые холодильные масла, как правило, обладают очень низкими температурами застывания, хорошей низкотемпературной текучестью и высокой термической и химической стабильностью. Для их производства обычно отбирают специальные фракции.
3.2. Минеральные масла (МО) — парафинизированные холодильные масла
Парафиновые минеральные масла — это масла, содержащие менее 33% углерода в нафтеновых X(N) связях. Парафиновые холодильные масла идеальны для применения в турбокомпрессорах R11 и R12 («старого типа») (ISO VG 68 и 100) благодаря хорошим вязкостно-температурным характеристикам. Эти масла не рекомендуются для других компрессоров, поскольку они, как правило, недостаточно стабильны в хладагентах (например, R22 имеет недостаточный интервал смешиваемости). В целом четкой границы между парафиновыми и нафтеновыми маслами не существует.
3.3. Полусинтетические холодильные масла — смеси алкилбензолов и минеральных масел (ММ/АБ)
Полусинтетические холодильные масла представляют собой смеси высокостабильных алкилбензолов и высокоочищенных минеральных масел. Присутствие алкилбензолов значительно повышает растворимость и стабильность нафтеновых компонентов. Соотношение синтетических компонентов обычно находится в пределах 30-60%. Полусинтетические масла рекомендуются для систем типа CFC/HCFC, систем R22 со средне/низко температурным режимом и для холодильников подпитки (например, смеси 401 А/В, 402 А/В и R22).
3.4. Полностью синтетические холодильные масла — алкилбензолы (АБ)
Полностью синтетические холодильные масла на основе химически и термически высокостойких алкилбензолов применяются уже на протяжении ряд лет. Для их изготовления применяют тщательно отбираемые и подвергаемые специальной очистке алкилароматические соединения. Масла подвергают нескольким сложным стадиям обработки с целью удаления труднорастворимых парафинов и других загрязняющих примесей, включая серу. Масла на основе алкилбензолов обладают превосходной растворимостью в хладагентах типа CFC/HCFC (например, R22, R502) и в их смесях при температурах испарения ниже -80 °С (например, R22). Алкилбензолы класса ISO VG 46 и 68 особо применимы для аммиачных компрессоров с очень высокими температурами на выходе, используемых в сложных условиях эксплуатации. По сравнению с холодильными маслами на основе минеральных масел алкилбензолы образуют меньше кокса и других отложений при запуске компрессора. Алкилбензолы применяются в герметически уплотненных и полууплотненных компрессорах. Они широко используются в сочетании с такими хладагентами, как R401 А/В, R402A/B, R22, а также с пропаном/изобутаном. В связи с изменениями в структуре химической промышленности в будущем ожидается дефицит сырья для получения алкилбензолов.
3.5. Полностью синтетические холодильные масла — ПАО
Благодаря своей высокой термической стабильности ПАО рекомендуются для аммиачных (NH3) компрессоров. Образование продуктов окисления (кокса) исключается даже при высоких выпускных температурах компрессора. По сравнению с минеральными маслами применение ПАО позволяет снижать количество масляного тумана и паров масла, накапливаемых в масляных сепараторах (особенно в случае винтовых компрессоров). Содержание масла в парах хладагента также может быть сведено к минимуму. Благодаря своей химической структуре ПАО обладают хорошими вязкостно-температурными характеристиками (высоким индексом вязкости) и, как следствие, высокой низкотемпературной текучестью. Низкие температуры застывания и вязкость этих продуктов гарантируют удовлетворительную циркуляцию масла даже при температуре испарения —50 °С, что важно для использования в недавно разработанных пластинчатых испарителях. ПАО класса вязкости ISO VG 68 обычно применяются в винтовых и поршневых аммиачных компрессорах.
3.6. Полностью синтетические холодильные масла — сложные эфиры полиолов (РОЕ)
Минеральные масла, алкилбензолы или ПАО, ранее применявшиеся в качестве масел для компрессоров холодильных машин, нерастворимы или недостаточно растворимы в таких новых, не содержащих хлора смесях хладагентов, как R134a, R404, R507. Это привело к разработке холодильных масел на основе сложных эфиров полиолов, растворимых в хладагентах FC и HFC (по DIN 8960). Эти продукты обладают высокой химической и термической стабильностью. Законодательным актом, принятым в 1991 г., предписывалось постепенное прекращение применения хлорсодер-жащих хладагентов CFC во всех холодильных установках. С января 1995 г. в новом оборудовании должно было быть полностью исключено применение холодильных масел CFC R134а и в особенности R22, который был заменен на CFC R12. Эти замещающие хладагенты, так же, как и синтетические масла на основе сложных эфиров полиолов, в последнее время получили широкое признание. Эфирные масла применимы для всех холодильных систем, в которых используются хладагенты R134a, R404а и смеси FC и HFC. Продукты соответствующей вязкости (ISO VG 10-320) могут применяться в промышленных и бытовых винтовых и поршневых компрессорах. Следует особо подчеркнуть необходимость строгого соблюдения рекомендаций производителей компрессоров в отношении вязкости используемых масел. Аналогично всем эфирным маслам насыщенные и высокоочищенные масла на основе сложных эфиров полиолов могут подвергаться гидролизу (расщеплению сложных эфиров водой в частичные сложные эфиры и кислотные соединения) при контакте с водой в компрессоре. Поэтому важно, чтобы при хранении и применении эти продукты были защищены от контакта с водой и влагой. Эфирные масла подвергают сверхсушке и хранят в герметичных металлических бочках с содержанием воды не более 30—100 ppm в атмосфере азота.
Сложные эфиры полиолов обладают следующими особыми свойствами: • превосходной растворимостью в хладагентах FC и HFC; • исключением накапливания масла в конденсаторе/испарителе; • постоянной теплопроводностью; • высоким естественным индексом вязкости, хорошими вязкостно-температурными характеристиками и, следовательно, хорошей смазывающей способностью при высоких температурах; • очень хорошей термической и химической стабильностью даже в присутствии хладагентов; • превосходной низкотемпературной текучестью; • долговечностью (длительным сроком службы); • совместимостью со всеми уплотнительными материалами, например, NRB (бутодиен-акрилонитрильным каучуком), HNBR, EPDM (тройным этилен-пропиленовым каучуком с диеновым сомономером) и другими материалами; • продукты подвергаются сверхсушке.
Сложные эфиры полиолов — гигроскопичные (т. е. сильно поглощающие воду). Смазочные масла на их основе могут гидролизоваться при длительном хранении, если содержание воды в них превышает 200 ppm.
Гидролиз — это расщепление сложных эфиров на кислотные компоненты.
Замена систем CFC на другие хладагенты (методы Retrofit и Drop-in)
Retrofit и Drop-in — названия двух способов замены CFCсистем на другие хладагенты.
Retrofit - Метод Retrofit подразумевает замену самого хладагента (например, R12), а также холодильного масла на основе минерального масла (остаточное минеральное масло в системе может быть сведено к минимуму) с использованием специальных методик. Кроме того, при этом в ряде случае необходима модификация или замена ряда узлов в системе — расширительных клапанов, сухих газоочистителей или уплотнений. В методе Retrofit предполагается применение долговечных хладагентов-заменителей (например R134а и эфирных масел). Применение данного подхода связано с большими затратами и оправдано только для новых систем.
Drop-in - Метод Drop-in предполагает замену только хладагента. Характеристики нового хладагента должны быть аналогичны характеристикам заменяемого продукта (с точки зрения совместимости с минеральными маслами или с алкилбензолами) в такой степени, чтобы исключить необходимость модификации или замены других узлов системы. Рекомендуется установка расширительного клапана в исходное положение и исключение его перегрева. Хладагенты-заменители обычно представляют собой азеотропные смеси HCFC хладагентов типа R22 смесей. Благодаря своей сравнительно низкой стоимости метод Drop-in рекомендуется для более старых систем. Хладагенты, применяемые в данном методе, как правило, представляют собой смеси хладагентов R22 и HFC. Поскольку R22 является озоноразрушающим веществом, его долговременное применение не представляется перспективным. В Германии, например, закон, запрещающий применение CFC, разрешает использование R22 только в новых системах вплоть до 2000 г. По этой причине хладагенты типа Drop-in рекомендуются только для систем, срок эксплуатации которых приближается к завершению, или для систем, в которых невозможна замена масла. Во многих случаях рекомендуется переход на алкилбензолы или смеси алкилата с минеральным маслом. (Примечание: они способны удалять хлорсодержащие загрязняющие примеси и другие остатки из системы циркуляции хладагента.).
3.7. Полностью синтетические холодильные масла — полигликоли (PAG) для R134а
Для систем кондиционирования воздуха в легковых автомобилях используются полностью синтетические холодильные масла на основе полигликолей типа R134а. Наряду с использованием масла R134а вместо R12 в системах автомобильного кондиционирования воздуха большинство таких компрессоров рассчитаны на применение масел на основе полиалкиленгликолей (PAG). Эти полиалкиленгликоли не всегда совместимы и смешиваемы с нормальными маслами на основе минеральных масел, алкилбензолами или сложными эфирами, на что стоит обратить внимание при подпитке и техническом обслуживании таких систем. Полигликоли по своей природе являются полярными веществами и поэтому смешиваются с R134a. Полярные свойства делают полигликоли очень гидроскопичными, что необходимо учитывать при обращении с этими специальными смазочными маслами. При заправке содержание воды в полигликолевых маслах должно быть меньше 700—1000 ppm (для свежего масла по DIN 51 503-1 — 300 ppm). Холодильные масла на основе PAG подвергаются тщательной осушке перед употреблением.
3.8. Полностью синтетические холодильные масла — полигликоли для NH3
Полностью синтетические холодильные масла на основе полигликолей (ISO VG 68, ISO VG 100), растворимые или частично растворимые в аммиаке. Ранее для аммиачных систем применяли нафтеновые минеральные масла, алкилбензолы и РАG Проблемы обогащения масла и отложений в таких системах хорошо изучены. Полигликоли обладают хорошей растворимостью и смешиваемостью с аммиачными хладагентами, что позволит в будущем создавать новые низкотемпературные системы с сухим испарением. Тщательно подобранные синтетические компоненты имеют превосходные вязкостно-температурные характеристики и высокую термическую стабильность. Содержание воды в маслах на основе полигликолей должно поддерживаться на низком уровне (около 300-500 ppm). Следует избегать смешения или загрязнения минеральными маслами.
3.9. Прочие синтетические жидкости
Ранее при температурах испарения ниже —120 °С применяли поликремниевую кислоту и синтетические жидкости на основе сложных эфиров. Продукты на основе маловязких силиконовых масел (полидеметилсилоксаны — PDMS) также находят применение для данного назначения. Согласно рекомендациям производителей, альтернативой является применение маловязких полиэфирных масел.