Маслоотделители

Влияние масла на работу холодильной установки. Особенностью применения масла в холодильных машинах является то, что оно вместе с холодильным агентом уносится в систему установки и попадает в условия как высоких, так и низких температур; масло постоянно находится в контакте с холодильным агентом. Поэтому к маслам, применяемым для смазки холодильных машин, предъявляют специфические требования.

Масло не должно химически взаимодействовать с холодильным агентом и не должно содержать кислот, щелочей, воды и механических примесей. Вполне определенной должна быть вязкость масла. Для фреоновых компрессоров необходимо более вязкое масло, так как фреон растворяется в масле и разжижает его. Масло должно иметь достаточно низкую температуру застывания и высокую температуру вспышки. Для смазки холодильных компрессоров разрешается применять только определенные марки масел: для аммиачных машин - масло ХА-30 (холодильное аммиачное); для фреоновых - ХФ-12-18 для фреона-12 и ХФ-22-24 для фреона-22. Компрессоры, работающие на фреоне-12, фреоне-22, фреоне-142 при температуре кипения не ниже -40° С, должны смазываться маслом ХФ-12-18. При более низких температурах (до -80° С) следует использовать масло синтетическое марки ХФ-22с-16.

Успешно используют масло ХА-30 для смазки фреоновых винтовых компрессоров как отечественного производства, так и компрессоров зарубежных стран.

Показатели смазочных масел, применяемых для смазки холодильных компрессоров.

Ранее для смазки аммиачных компрессоров применяли масла фригус и веретенное 2, вязкость которых в 2 раза меньше вязкости масла ХА-30. Применение масел ХА-23, ХА-30, ХА-34 снижает износ трущихся частей примерно в 1,5 раза.

Масло уносится с холодильным агентом из компрессора в нагнетательный трубопровод и разносится по всей системе. Количество уносимого масла зависит от типа компрессора, его производительности, марки масла и других факторов. В среднем можно принять, что количество уносимого масла составляет 20 - 30 г/ч на каждые 100 м³/ч рабочего объема компрессора (объема описываемого поршнями компрессора). Масло увлекается парами холодильного агента в виде мелких частиц, а также в парообразном состоянии. По данным ВНИХИ, испаряемость масла (фригус) возрастает при повышении температуры: при 80 °С испаряется примерно 3% всего масла, уносимого из компрессора при 100 °С - 8%, при 120 °С - 16%, при 140 °С - 35%.

Поскольку работа большинства маслоотделителей основана на механическом разделении масла и холодильного агента, для улавливания парообразного масла необходимо вначале сконденсировать пары и в виде капелек отделить от паров холодильного агента. Для уменьшения уноса капель масла скорость паров холодильного агента в маслоотделителе должна быть как можно меньше, обычно 0,6 - 0,8 м/с.

Влияние масла на работу теплообменных аппаратов холодильной установки зависит от взаимной растворимости рабочих тел и смазочных масел. Растворимость жидких рабочих тел в маслах повышается с возрастанием температуры. Взаимное расположение слоев в смеси обусловливается соотношением плотностей масла и холодильного агента. Так, жидкий аммиак мало растворяется в минеральных маслах, плотность аммиака (650 кг/м³) меньше плотности масла (900 кг/м³). Поэтому в аппаратах аммиачных установок масло с небольшим содержанием аммиака оседает в нижней части аппарата. 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 1350кг/м³.

Состояние масла в системе холодильной установки зависит от взаимной растворимости. Аммиак в масле и масло в аммиаке растворяются в небольших количествах. Фреон-12 до температуры -42° С неограниченно растворяется в масле, также масло неограниченно растворяется во фреоне. Фреон-22 при температуре выше 20° С имеет неограниченную взаимную растворимость в масле. В испарителе фреоновой установки (фреон-22) происходит расслоение масла и фреона. Однако в масле, плавающем на поверхности жидкого фреона, содержится некоторое количество растворенного фреона - это фаза «масло». В жидком фреоне-22 растворяется определенное количество масла - это фаза «фреон».

В зависимости от взаимной растворимости масла и холодильного агента определяется влияние масла на работу холодильной установки.

В аммиачной холодильной машине масло оседает в виде пленки на 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 испарения 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.

В установках, работающих на фреоне-12, попадание масла в аппараты не влечет за собой образования масляной пленки на теплопередающей поверхности, так как фреон-12 растворяется в масле и образуется однородный раствор. Но в испарителях затопленного типа масло скапливается и увеличивается концентрация его в растворе. В результате повышается температура кипения и увеличивается вязкость раствора (по сравнению с температурой кипения и вязкостью чистого фреона), что ухудшает теплообмен.

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 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.

Скопление масла в испарителе оказывается нежелательным еще и потому, что на соответствующую величину уменьшается количество смазочного масла в картере компрессора. Поэтому в установках, применяющих холодильные агенты с неограниченной растворимостью масла, необязательно улавливать масло перед теплообменным аппаратом, но возникает задача непрерывного возврата масла из испарителя в картер компрессора, т. е. необходимо организовать циркуляцию масла в системе.

Существенное значение для работы холодильных установок имеет растворимость (абсорбция) газообразного холодильного агента в масле. Так, аммиак в газообразном состоянии в сравнительно небольшом количестве растворяется в маслах.

Данные, характеризующие изменение концентрации аммиака в масле при различных температурах и давлениях.

Таким образом, для уменьшения содержания аммиака в масле перед выпуском его из системы холодильной установки необходимо понизить давление и подогреть масло.

Гораздо выше растворимость в масле газообразных фреонов. При растворении холодильного агента в смазочном масле существенно снижается температура застывания масла, уменьшается его вязкость. Например, при температуре 0°С в результате растворения 10% фреона-12 вязкость масла уменьшается примерно на 25 %, при растворении 20% - в 2 раза.

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.

Рис. 1. Маслоотделители, работающие по принципу механического разделения масла:
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.

Конструктивные схемы маслоотделителей приведены на рис. 1. В таких маслоотделителях (см. рис. 1, а) используется механический способ отделения масла. В них улавливается в среднем не более 65% масла, захваченного парами холодильного агента из компрессора. Причиной такой 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.

Маслоотделитель с поплавковым клапаном (рис. 1, б) обеспечивает автоматический перепуск масла в картер компрессора. Маслоотделитель имеет насадку. Однако исследования ВНИХИ показали, что насадка не способствует улучшению отделения масла.

Для более эффективного отделения масла от холодильного агента смесь охлаждают водой, подаваемой в маслоотделитель по змеевику или в рубашку (рис. 1, в). Вода, подаваемая в маслоотделитель, не должна быть слишком холодной, 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 прекратить.

Рис. 2. Барботажный маслоотделитель:
а - схема маслоотделителя; б - схема подачи жидкого аммиака в маслоотделитель: I - корпус; II - диски отбойные; III - барботер; в - процессы в s-t - диаграмме.

Эффективен аммиачный маслоотделитель (МО) с промыванием паров аммиака в смеси с маслом путем пропускания их через слой жидкого аммиака (рис. 2). Такие маслоотделители (см. рис. 2, 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 не только конденсируется, но и задерживаются очень мелкие его капли.

На рис. 2, 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 рис. 2, 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 рис. 3. 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.

Рис. 3. Схема выпуска масла из системы аммиачной холодильной установки:
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.

Несколько своеобразным является выпуск масла из промежуточного сосуда. Если масло непосредственно выпускать из нижней части промежуточного сосуда, то вместе с маслом возможно перетекание жидкого аммиака в маслосборник. По приведенной схеме масло из промежуточного сосуда стекает в специальный сборник 6, внутри которого по змеевику протекает жидкий аммиак с температурой более высокой, чем температура в ПС. Если в сборнике нет масла, то переохлаждается жидкий аммиак, направляемый в промежуточный сосуд. Сборник соединен с промежуточным сосудом как жидкостной, так и па-роотводящей трубкой. Если в сборнике будет накапливаться масло, то жидкий аммиак будет вытесняться. О накапливании масла можно судить по температуре в сборнике, так как масло, скапливающееся в сборнике 6 будет постоянно нагреваться жидким аммиаком, протекающим по змеевику сборника.

Процесс перепуска масла может быть автоматизирован при помощи терморегулирующего вентиля в сочетании с соленоидным вентилем.

Удаление масла из испарительной системы (батарей непосредственного охлаждения и воздухоохладителей) аммиачной установки имеет существенное значение. В большинстве случаев это удаление производят во время снятия снеговой шубы, сливая аммиак с маслом в дренажный ресивер.

Для уменьшения замасливания испарительной системы на судах типа «Атлантик» установлен маслоотделитель (рис. 4), особенностью которого является отделение масла от жидкого аммиака, что весьма необходимо в насосно-циркуляционных системах. Центробежная сила прижимает масло к стенкам цилиндрического сосуда, которое стекает в нижнюю часть его, откуда перепускается в маслосборник.

Рис. 4. Маслоотделитель для жидкого аммиака:
1 - цилиндрическая часть; 2 - входной патрубок; 3 - коническая часть.

Циркуляция масла во фреоновой холодильной машине. Как было указано выше, при применении масел, неограниченно растворяющихся в холодильных агентах, на поверхности аппаратов пленка масла не образуется. Однако сопротивление теплопередаче возрастает в результате увеличения вязкости холодильного агента в смеси с маслом. Для батарей непосредственного испарения сопротивление со стороны холодильного агента не является определяющим. В таком случае целесообразно предусмотреть возможность циркуляции масла вместе с холодильным агентом, не допуская скапливания масла в испарителе.

В мелких и малых фреоновых агрегатах применяют испарители змеевикового типа с верхней подачей фреона, что обеспечивает надежный возврат масла в компрессор.

Схема циркуляции масла во фреоновом агрегате показана на рис. 5. Испаритель агрегата располагают выше компрессора для обеспечения стока масла, а всасывающий трубопровод прокладывают с уклоном 1 - 2° в сторону движения пара. При такой схеме циркуляции масла целесообразно устанавливать теплообменник на всасывающей стороне, который обеспечит не только создание перегрева всасываемых паров, но и возгонку фреона из капель масла, поступающих в компрессор.

Если испаритель расположен ниже компрессора, то подъем масла осуществляется с помощью гидравлического затвора. В нем масло скапливается и закрывает проход парам холодильного агента. В этом случае компрессором во всасывающем трубопроводе создается давление более низкое, чем в испарителе, и под действием этой разности давлений масло из затвора поднимается на соответствующую высоту. Затем процесс накапливания масла продолжается. Обычно высота подъема масла не превышает 3 м. При необходимости подъема на большую высоту такие гидравлические затворы устанавливают через каждые 3 м. Затвор рекомендуется делать небольшим, чтобы объем скопившегося масла был невелик и не мог вызвать гидравлического удара в компрессоре.

Рис. 5. Схема циркуляции масла во фреоновой холодильной машине:
1 - конденсатор; 2 - теплообменник; 3 - испаритель; 4 - гидравлический затвор.

Если во фреоновой установке применяют испаритель затопленного типа или установку двухступенчатую, то циркуляция масла затруднена, поэтому целесообразно использовать маслоотделитель после компрессора с автоматическим возвратом масла в картер компрессора. В двухступенчатых компрессорах маслоотделитель устанавливают после каждой ступени. Такое решение возврата части увлекаемого из компрессора масла освобождает от необходимости частого перепуска масла вручную из аппаратов в картер компрессора.

Выпуск масла из фреоновой системы в открытый сосуд вызвал бы большие потери фреона, так как растворимость газообразного фреона в масле значительно больше, чем аммиака. Например, при давлении 0,7 МПа и температуре 30° С в растворе может быть до 60% фреона, при давлении 0,2 МПа - 9%. Поэтому при возврате масла из маслоотделителя в картер компрессора выделяется избыточный фреон, в результате чего уменьшается производительность компрессора.

Маслоотделители с возвратом масла в картер компрессора установлены после каждой ступени фреоновых двухступенчатых компрессоров V-1008 на РМС типа «Дружба». По мере накапливания масла поплавковый клапан всплывает и перепускает масло с растворенным в нем фреоном в картер компрессора. Такая схема возврата возможна только при агрегатировании компрессор - маслоотделитель. Маслоотделители с поплавковым возвратом масла в картер компрессора широко используются также в аммиачных агрегатах.

Циркуляция масла во фреоновой системе и тем самым повторное использование его для смазки компрессора предъявляет особые требования к стойкости масла, монтажу фреоновой установки, особенно к чистоте внутренних поверхностей труб и аппаратов. В этих условиях обязательна тщательная очистка труб и системы в целом.

Немаловажное значение для работы фреоновых установок имеет описанный выше процесс изменения объема масла при поглощении фреона. Такое изменение объема масла в картере компрессора может создать ложное впечатление об удовлетворительной работе системы возврата масла. При остановке компрессора давление в картере увеличивается, вследствие чего возрастает растворимость масла и увеличивается его объем. При пуске компрессора давление снижается, фреон выкипает, и объем масла может оказаться меньше нормального уровня.

Уместно отметить, что фреоны не растворяются в глицерине, обладающем смазочными свойствами, поэтому глицерин применяют для пропитывания уплотнительных материалов во фреоновых машинах. Недостатком глицерина является его высокая гигроскопичность.