3.10. Холодильные масла для СO2
Натуральный хладагент СO2 широко применяется многими пользователелями. Свойства смесей СO2 с маслами еще не до конца изучены. В целом можно отметить, что растворимость СO2 в эфирном масле типа РОЕ лучше, чем в полигликольных холодильных маслах РАG. Соответствующие холодильные масла для СO2 в настоящее время находятся в стадии разработки. Наряду с растворимостью важным фактором является также термическая стабильность (температура на выходе из компрессора составляет порядка 160— 180 °С). Масла, традиционно применяемые для компрессоров и холодильных машин, приведены в табл. 2. СO2 в качестве хладагента находит все более широкое применение в промышленности в системах глубокого замораживания (низкотемпературных каскадах) для климатконтроля в тепловых насосных системах и в рефрижераторных контейнерах. Эти установки могут работать как в транс- так и в субкритических условиях.
Специальные синтетические масла на основе сложных эфиров полиолов (POEs — ISO VG 55, 85, 130, 170) со специальными противоизносными и противозадирными присадками (для снижения и предотвращения проблем, связанных с износом) применяются в так называемых индустриальных системах. Эти полиэфирные масла отличаются регулируемой растворимостью в CO2 (снижение вязкости смеси РОЕ— СО2 должно находиться под контролем) и превосходной смешиваемостью (отсутствием интервала смешиваемости до минус 40 °С), которая гарантирует текучесть и возвращение масла из испарителя в компрессор. Транскритические системы кондиционирования воздуха в автобусах также работают на специальных маслах на основе сложных эфиров полиолов. Диоксид углерода в автомобильных системах кондиционирования воздуха в ближайшем будущем будет заменен на R134a (исключение применения СO2 начнется в 2011/2012 гг.). В этих субкритических системах кондиционирования воздуха с применением СO2 будут применяться специально подобранные и предельно надежные PAG с противоизносными и противозадирными присадками для обеспечения гарантии стабильной работы в течение всего срока службы компрессора в жестких условиях транскритического процесса с использованием СO2. На стадии рассмотрения находится также применение специальных эфирных масел.
3.11. Омеднение
Это явление чаще всего применяется при применении хладагентов типа R. Медь из рефрижераторного контура растворяется в смазочном масле и распространяется по системе, где она отлагается в основном на горячих поверхностях металла. Если механические узлы системы эксплуатируются с допуском в узких пределах, то это может привести к отказу подшипников и контактных колец. Хотя омеднение непосредственно не связано с маслом, некоторые свойства масла могут способствовать возникновению этого явления. По-видимому, содержание смол и серы в хорошем холодильном масле находится ниже порогового значения, при превышении которого могут возникнуть благоприятные условия для омеднения. Омеднению способствуют недостаточная стабильность масла-хладагента, присутствие влаги в системе (высокое содержание воды в масле), различного рода загрязнения, окисление масла хладагентом, а также старение масла вследствие его контакта с кислородом и другие факторы.
4. Типы компрессоров
Компрессор как важнейший элемент холодильной системы прокачивает газообразный хладагент по контуру и сжимает испарившийся хладагент до давления сжижения, необходимого для выделения теплоты. На рис. 3 приведена классификация применяемых в настоящее время компрессоров холодильных машин в соответствии с их конструктивными особенностями. Компрессоры подразделяются на две группы: вытесняющего типа, которые периодически нагнетают хладагент во все более уменьшающееся пространство, и динамического типа, которые непрерывно нагнетают хладагент для повышения давления.
5. Выбор вязкости
Инструкции по выбору смазочных масел для компрессоров холодильных машин в принципе не отличаются от общих инструкций по смазке машин и оборудования: для высокооборотных машин применяют масла меньшей вязкости, чем для тихоходных. При высоких нагрузках на подшипники применяют более вязкие масла, чем для малонагруженных подшипников. Кроме того, для компрессоров холодильных машин необходимы масла со значительно более низкими вязкостями по сравнению с величинами, рассчитанными по теории гидродинамической смазки. Этот факт доказан многолетним практическим опытом и обоснован теорией эластогидродинамической смазки. При выборе вязкости необходимо учитывать влияние хладагентов на рабочую вязкость холодильного масла. В случае поршневых компрессоров вязкость масла зависит от давления в картере, в то время как в винтовых компрессорах — от давления на выходе (давления в масляном сепараторе). В промышленности холодильные системы эксплуатировались с применением хлорированных хладагентов для обеспечения некоторых резервов надежности. Соединения хлора являются превосходными противозадирными присадками, защищающими от износа. Поэтому ранее применявшиеся холодильные масла с CFCs рассматривали как содержащие «противоизносные» агенты в случаях, когда хладагент растворяли в масле. С тех пор как были внедрены хладагенты, не содержащие хлора, эту функцию должно выполнять холодильное масло или другие присадки. Ниже будут рассмотрены некоторые зависимости, которые необходимо учитывать для правильного выбора масел для компрессоров холодильных машин. При этом всегда следует ссылаться на технические характеристики (TAS), содержащие важную информацию как для производителей, так и для пользователей компрессоров.
Вязкость является наиболее важным параметром для определения смазывающих свойств масел или смесей масел с хладагентами. При вычислении нагрузок на подшипники вязкость смесей масел с хладагентами следует рассматривать как вязкость чистого масла. Это относится к гидродинамической смазке цилиндрических подшипников скольжения. В отношении смазки для поршневых и винтовых компрессоров дополнительными факторами являются явления граничного трения смеси. Как правило, возвратно-поступательные поршневые компрессоры смазывают маслами ISO VG 32, 46 и 68, а винтовые компрессоры смазывают маслами ISO VG 150,170, 220 и 320 в зависимости от хладагента, температуры, давления и растворимости хладагента в масле.
5.2. Зависимость концентрации смеси от температуры и давления (RENISO Triton SE55-R 134а)
На рис. 4 показано, насколько хладагент растворим в холодильном масле при насыщении в определенных рабочих условиях (давлении и температуры). Поскольку насыщение зависит от времени, то концентрации, показанные на графике, как правило, выше по сравнению с фактическими значениями и могут рассматриваться как максимальная концентрация в любых заданных условиях эксплуатации. Вязкость, которую можно снять по показаниям концентрации смеси, повышает коэффициент надежности при любых вычислениях нагрузок на подшипники. На приведенном графике концентрация может быть отнесена к точке с определенным давлением и с определенной температурой.
5.3. Зависимость вязкости смеси от температуры, давления и концентрации хладагента (RENISO Triton SЕ55-R 134а)
Точная концентрация хладагента в системе в зависимости от давления и температуры, как показано на рис. 4 и рис. 5, может использоваться для считывания показаний кинематической вязкости смеси масла и хладагента при определенном давлении, определенной температуре и определенной концентрации хладагента по левой шкале (в единицах кинематической вязкости, равных 10-6м2/с = 1 мм2/с). На графике показана вязкость в зависимости от температуры смеси масла и хладагента в разных концентрациях.
Если требуется определить вязкость смеси (что опять же справедливо только в состоянии равновесия) и концентрация хладагента, рассчитанная по давлению и температуре, не известна, можно воспользоваться данным графиком. Полученные величины определяются конкурирующим влиянием повышения вязкости при снижении температуры масла и снижения вязкости за счет снижения растворимости хладагента в масле при пониженных температурах. Этот факт имеет существенное значение при разработке конструкции и функционировании компрессора холодильной машины. Поэтому не следует допускать достижения максимальной вязкости масла в проблемных точках контура его циркуляции (например, в восходящем потоке, испарителях). Важно также не допускать приближения условий в картере компрессора к величинам, показанным на левой шкале вязкостно-температурного графика, потому что в таких условиях даже самые незначительные колебания температуры могут оказывать существенное влияние на вязкость.
5.4. Плотность смеси в зависимости от температуры и концентрации хладагента (RENISO Triton SE55-R 134а, рис. 6)
Плотность смеси масла с хладагентом зависит от вязкостно-температурных характеристик масла и хладагента (рис.6).
5.5. Интервал смешиваемости, пороговая растворимость (RENISO Triton SE55-R 134а; рис. 7)
Хладагенты типа R относятся к группе хорошо растворимых в масле хладагентов. Однако не все они способны смешиваться с холодильными маслами при любых температурах и в любых концентрациях. В случае если, например, охлаждают полностью растворенную смесь масла и хладагента, то в определенный момент она разделяется на две жидкие фазы. Эту область частичной растворимости называют интервалом смешиваемости (miscibility gap). Интервал смешиваемости зависит от типа хладагента, а также в значительной степени от типа холодильного масла. Растворимость хладагента определяют статически по методу Е DIN 51 514. При обычных применениях интервал смешиваемости (с алкилбензолами) для таких хладагентов, как R22, не является существенной проблемой. Для некоторых других хладагентов характерны выраженные пороговые значения. Интервал смешиваемости имеет большое значение для контура циркуляции. Если соотношение масло-хладагент находится в пределах интервала смешиваемости, то могут возникнуть проблемы, вызываемые отложением обогащенных маслом жидких фаз в коллекторах, конденсаторах, испарителях и в картере. Для орошаемых испарителей требуется максимально возможное количество хладагента для растворения при температурах испарения без разделения фаз. На рис. 7 показаны различные примеры пороговой растворимости.
6. Выводы
Выбор оптимального масла для компрессоров холодильной машины зависит от спецификаций на компрессор, а также особенностей системы в целом и применяемого хладагента. Наиболее важными факторами являются смазочные свойства холодильного масла и любые взаимодействия с хладагентами, испаряемость, а также растворяемость и поведение смол. Помимо традиционных холодильных масел на основе минеральных масел появилось новое важное поколение масел на основе сложных эфиров полиолов для хладагентов, не содержащих хлора. Полигликоли R134a применяются в автомобильных системах кондиционирования воздуха. ПАО и частично растворимые масла на базе полигликолей находят все более широкое применение для аммиачных систем. Хладагенты на основе СO2 в будущем получат распространение в нестационарных применениях и заменят R 134а во многих областях. В промышленных системах на основе СO2 применяются специальные масла на основе сложных эфиров полиолов с противоизносными и противозадирными присадками. В автомобильных системах кондиционирования воздуха найдут применение специальные синтетические полигликоли.
