Мастило компресорів холодильних машин займає спеціальне місце в технології компресорних масел. Очікувана довговічність компресорів холодильних машин безпосередньо пов'язана з високою якістю використовуваних масел. Взаємодія з різними речовинами, з якими знаходяться в контакті масла для холодильних машин, і особливо екстремально високі і екстремально низькі температури їх застосування зумовлюють дуже специфічні вимоги, що пред'являються до рефрижераторним масел.
Основна функція компресорного масла полягає в мастилі поршнів або роторів, ущільненні клапанів і, в деяких випадках, ущільненні контактних кілець. Крім того, масло повинне розсіювати тепло від гарячих вузлів компресора і сприяти ущільнення камер стиснення і клапанів. Масло для компресорів холодильних машин служить в якості гідравлічного регулятора і функціональної рідини в компресорах холодильних машин. Дуже важливо, щоб холодильне масло, що досягає холодних секцій контуру у вигляді масляних парів або масляного туману або в результаті розбризкування, при будь-яких умовах експлуатації поверталося в компресор за допомогою механічних засобів (масляного сепаратора) або з потоком холодоагенту (розчинність холодоагенту). На рис. 1. показаний принцип охолоджуючого циклу зі стисненням парів, а на рис. 2. приведена спрощена схема рефрижераторною системи.
2. Мінімальні вимоги до мастил для холодильних машин
2.1. DIN 51503-1: Масла для холодильних машин, мінімальні вимоги.
Критерії оцінки холодильних масел містяться в DIN 51503-2.
3. Класифікація холодильних масел
3.1. Мінеральні масла (ММ) - депарафінізірованние нафтенові холодильні масла
Нафтенові мінеральні масла як і раніше є найважливішою групою масел для компресорів холодильних машин, які застосовують аміачні (NH3) холодоагенти поряд з CFC і HCF (наприклад, R 27). Нафтенові мінеральні масла - це масла, що містять більше 38% вуглецю в нафтенових X (N) зв'язках. Нафтенові холодильні масла, як правило, мають дуже низькими температурами застигання, хорошою низькотемпературної плинністю і високою термічною і хімічною стабільністю. Для їх виробництва зазвичай відбирають спеціальні фракції.
3.2. Мінеральні масла (МО) - парафінізірованние холодильні масла
Парафінові мінеральні масла - це масла, що містять менше 33% вуглецю в нафтенових X (N) зв'язках. Парафінові холодильні масла ідеальні для застосування в турбокомпрессорах R 11 і R 12 ( «старого типу») (ISO VG 68 і 100) завдяки хорошим в'язкісно-температурним характеристикам. Ці масла не рекомендуються для інших компресорів, оскільки вони, як правило, недостатньо стабільні в хладагентах (наприклад, R22 має недостатній інтервал смешиваемости). В цілому чіткої межі між парафінові і нафтеновими маслами не існує.
3.3. Напівсинтетичні холодильні масла - суміші алкилбензолов і мінеральних масел (ММ / АБ)
Напівсинтетичні холодильні масла являють собою суміші високостабільних алкилбензолов і високоочищених мінеральних масел. Присутність алкилбензолов значно підвищує розчинність і стабільність нафтенових компонентів. Співвідношення синтетичних компонентів зазвичай знаходиться в межах 30-60%. Напівсинтетичні масла рекомендуються для систем типу CFC / HCFC. систем R 22 з середньо / низько температурним режимом і для холодильників підживлення (наприклад, суміші 401 А / В. 402 А / В і R 22).
3.4. Повністю синтетичні холодильні масла - алкілбензоли (АБ)
Повністю синтетичні холодильні масла на основі хімічно і термічно високостійких алкилбензолов застосовуються вже протягом кілька років. Для їх виготовлення застосовують ретельно відбираються і піддаються спеціальному очищенню алкилароматічеськие з'єднання. Масла піддають декільком складним стадіях обробки з метою видалення важкорозчинних парафінів та інших забруднюючих домішок, включаючи сірку. Масла на основі алкилбензолов мають чудову розчинність в хладагентах типу CFC / HCFC (наприклад, R 22, R 502) і в їх сумішах при температурах випаровування нижче -80 ° С (наприклад, R 22). Алкілбензоли класу ISO VG 46 і 68 особливо застосовні для аміачних компресорів з дуже високими температурами на виході, використовуваних в складних умовах експлуатації. У порівнянні з холодильними маслами на основі мінеральних масел алкілбензоли утворюють менше коксу та інших відкладень при запуску компресора. Алкілбензоли застосовуються в герметично ущільнених і полууплотненних компресорах. Вони широко використовуються в поєднанні з такими холодоагентами, як R 401 A / B, R 402A / B. R 22, а також з пропаном / ізобутаном. У зв'язку зі змінами в структурі хімічної промисловості в майбутньому очікується дефіцит сировини для отримання алкилбензолов.
3.5. Повністю синтетичні холодильні масла - ПАТ
3.6. Повністю синтетичні холодильні масла - складні ефіри поліолів (РОЕ)
Заміна систем CFC на інші холодоагенти (методи Retrofit і Drop-in)
Retrofit і Drop-in - назви двох способів заміни CFC систем на інші холодоагенти.
Метод Retrofit має на увазі заміну самого холодоагенту (наприклад, R 12), а також холодильного масла на основі мінерального масла (залишкове мінеральне масло в системі може бути зведене до мінімуму) з використанням спеціальних методик. Крім того, при цьому в ряді випадку необхідна модифікація або заміна ряду вузлів в системі - розширювальних клапанів, сухих газоочисниками або ущільнень.
У методі Retrofit передбачається застосування довговічних хладагентов-замінників (наприклад R 134а і ефірних масел). Застосування даного підходу пов'язано з великими витратами і виправдано тільки для нових систем.
3.7. Повністю синтетичні холодильні масла - полигликоли (PAG) для R 134а
3.8. Повністю синтетичні холодильні масла - полигликоли для NH3
3.9. Інші синтетичні рідини
Раніше при температурах випаровування нижче -120 ° С застосовували полікремнієвих кіс¬лоту і синтетичні рідини на основі складних ефірів. Продукти на основі маловязких силіконових масел (полідеметілсілоксани - PDMS) також знаходять застосування для даного призначення. Згідно з рекомендаціями виробників, альтернативою є застосування маловязких поліефірних масел.
3.10. Холодильні масла для СO2
POЕ
ISO VG 68-220
MM - мінеральне масло; АБ - алкілбензол; АБ / ММ - суміш мінеральне масло-алкілбензол; PAG - поліалкіленгліколю; РОЕ- складний ефір поліолів.
а) PAG - масла, розчинні у вуглеводнях (найменше зниження в'язкості): ММ, АБ і ПА високо розчиняються у вуглеводнях (велике зниження в'язкості).
б) ММ, АБ і ПАТ нерозчинні в аміаку, PAG (частково) розчинний в аміаку.
ISO VG 68 застосовуються в поршневих компресорах, масла аж до ISO VG 220 застосовуються в гвинтових компресорах, при цьому слід використовувати компоненти, сумісні з PAG. і брати до уваги гігроскопічність PAG.
в) Масла PAG застосовуються в автомобільних і тракторних системах кондиціонування повітря R 134a (PAG 46, PAG 100); масла РОЕ і PAG гігроскопічні.
г) Зазвичай не містять масла.
4. Типи компресорів
Компресор як найважливіший елемент холодильної системи прокачує газоподібний холодоагент по контуру і стискає випарувався холодоагент до тиску скраплення, необхідного для виділення теплоти. На рис. 3 наведено класифікацію застосовуваних в даний час компресорів холодильних машин відповідно до їх конструктивними особливостями. Компресори поділяються на дві групи: витісняє типу, які періодично нагнітають холодоагент у все більш меншу простір, і динамічного типу, які безперервно нагнітають холодоагент для підвищення тиску.
5. Вибір в'язкості
Інструкції щодо вибору мастил для компресорів холодильних машин в принципі не відрізняються від загальних інструкцій по мастилі машин і устаткування: для високооборотних машин застосовують масла меншою в'язкості, ніж для тихохідних. При високих навантаженнях на підшипники застосовують більш в'язкі масла, ніж для малонавантажених підшипників. Крім того, для компресорів холодильних машин необхідні масла зі значно нижчими вязкостямі в порівнянні з величинами, розрахованими по теорії гідродинамічної мастила. Цей факт доведений багаторічним практичним досвідом і обгрунтований теорією еластогідродінаміческой мастила. При виборі в'язкості необхідно враховувати вплив хладагентов на робочу в'язкість холодильного масла. У разі поршневих компресорів в'язкість масла залежить від тиску в картері, в той час як в гвинтових компресорах - від тиску на виході (тиску в масляному сепараторі). У промисловості холодильні системи експлуатувалися із застосуванням хлорованих хладагентов для забезпечення деяких резервів надійності. Сполуки хлору є чудовими протизадирними присадками, що захищають від зносу. Тому що раніше застосовувалися холодильні масла з CFC s розглядали як містять «протизносні» агенти в випадках, коли холодоагент розчиняли в маслі. З тих пір як були впроваджені холодоагенти, що не містять хлору, цю функцію має виконувати холодильне масло або інші присадки. Нижче будуть розглянуті деякі залежності, які необхідно враховувати для правильного вибору масел для компресорів холодильних машин. При цьому завжди слід посилатися на технічні характеристики (TAS), що містять важливу інформацію як для виробників, так і для користувачів компресорів.
В'язкість є найбільш важливим параметром для визначення змащувальних властивостей масел або сумішей масел з холодоагентами. При обчисленні навантажень на підшипники в'язкість сумішей масел з холодоагентами слід розглядати як в'язкість чистого масла. Це відноситься до гідродинамічної мастилі циліндричних підшипників ковзання. Відносно мастила для поршневих і гвинтових компресорів додатковими факторами є явища граничного тертя суміші. Як правило, зворотно-поступальні поршневі компресори змащують маслами ISO VG 32, 46 і 68, а гвинтові компресори змащують маслами ISO VG 150,170, 220 і 320 в залежності від холодоагенту, температури, тиску і розчинності холодоагенту в маслі.
5.2. Залежність концентрації суміші від температури і тиску (RENISO Triton SE 55-R 134а)
На рис. 4 показано, наскільки холодоагент розчинний в холодильному олії при насиченні в певних робочих умовах (тиску і температури). Оскільки насичення залежить від часу, то концентрації, показані на графіку, як правило, вище в порівнянні з фактичними значеннями і можуть розглядатися як максимальна концентрація в будь-яких заданих умовах експлуатації. В'язкість, яку можна зняти за показаннями концентрації суміші, підвищує коефіцієнт надійності за будь-яких обчисленнях навантажень на підшипники. На наведеному графіку концентрація може бути віднесена до точки з певним тиском і з певною температурою.
5.3. Залежність в'язкості суміші від температури, тиску і концентрації холодоагенту (RENISO Triton SЕ 55-R 134а)
Точна концентрація холодоагенту в системі в залежності від тиску і температури, як показано на рис. 4 і рис. 5, може використовуватися для зчитування показань кінематичної в'язкості суміші масла і холодоагенту при певному тиску, певній температурі і певної концентрації холодоагенту по лівій шкалі (в одиницях кінематичної в'язкості, рівних 10 -6 м 2 / с = 1 мм 2 / с). На графіку показана в'язкість в залежності від температури суміші масла і холодоагенту в різних концентраціях.
Якщо потрібно визначити в'язкість суміші (що знову ж справедливо тільки в стані рівноваги) і концентрація холодоагенту, розрахована по тиску і температурі, не відома, можна скористатися даними графіком. Отримані величини визначаються конкуруючим впливом підвищення в'язкості при зниженні температури масла і зниження в'язкості за рахунок зниження розчинності холодоагенту в маслі при знижених температурах. Цей факт має суттєве значення при розробці конструкції і функціонування компресора холодильної машини. Тому не слід допускати досягнення максимальної в'язкості масла в проблемних точках контуру його циркуляції (наприклад, у висхідному потоці, испарителях). Важливо також не допускати наближення умов в картері компресора до величинам, показаним на лівій шкалою в'язкісно-температурного графіка, тому що в таких умовах навіть найнезначніші коливання температури можуть чинити істотний вплив на в'язкість.
5.4. Щільність суміші в залежності від температури і концентрації холодоагенту (RENISO Triton SE 55-R 134а, рис. 6)
Щільність суміші масла з холодоагентом залежить від в'язкісно-температурних характеристик масла і холодоагенту (рис.6).
5.5. Інтервал смешиваемости, порогова розчинність (RENISO Triton SE 55-R 134а; рис. 7)
Холодоагенти типу R відносяться до групи добре розчинних у маслі хладагентов. Однак не всі вони здатні змішуватися з холодильними маслами при будь-яких температурах і в будь-яких концентраціях. У разі якщо, наприклад, охолоджують повністю розчинену суміш масла і холодоагенту, то в певний момент вона поділяється на дві рідкі фази. Цю область часткової розчинності називають інтервалом смешиваемости (miscibility gap). Інтервал смешиваемости залежить від типу холодоагенту, а також в значній мірі від типу хо¬лодільного масла. Розчинність холодоагенту визначають статично за методом Е DIN 51 514. При звичайних застосуваннях інтервал смешиваемости (з Алкілбензоли) для таких холодоагентів, як R 22, не є суттєвою проблемою. Для деяких інших холодоагентів характерні виражені порогові значення. Інтервал смешиваемости має велике значення для контуру циркуляції. Якщо співвідношення масло-холодоагент знаходиться в межах інтервалу смешиваемости, то можуть виникнути проблеми, викликані відкладенням збагачених маслом рідких фаз в колекторах, конденсаторах, испарителях і в картері. Для зрошуваних випарників потрібно максимально можливу кількість холодоагенту для розчинення при температурах випаровування без поділу фаз. На рис. 7 показані різні приклади порогової розчинності.
Вибір оптимального масла для компресорів холодильної машини залежить від специфікацій на компресор, а також особливостей системи в цілому і застосовуваного хладагента. Найбільш важливими факторами є мастильні властивості холодильного масла і будь-які взаємодії з холодоагентами, випаровуваність, а також растворяемость і поведінку смол. Крім традиційних холодильних масел на основі мінеральних масел з'явилося нове важливе покоління масел на основі складних ефірів поліолів для холодоагентів, що не містять хлору. Полигликоли R 124a застосовуються в автомобільних системах кондиціонування повітря. ПАТ і частково розчинні масла на базі полигликолей знаходять все більш широке застосування для аміачних систем. Холодоагенти на основі СO2 в майбутньому отримають поширення в нестаціонарних застосуваннях і замінять R 134а в багатьох областях. У промислових системах на основі СO2 застосовуються спеціальні масла на основі складних ефірів поліолів з протизношувальними і протівозадірнимі присадками. В автомобільних системах кондиціонування повітря знайдуть застосування спеціальні синтетичні полигликоли.
Роман Маслов.
За матеріалами зарубіжних видань.