Раздел 4. Влияние примесей к холодильному агенту на работу холодильной установки

Хладагент, циркулирующий в Х.У., практически никогда не бывает чистым. Он содержит примеси и загрязнения, основными из которых являются: смазочное масло, вода, воздух, механические загрязнения. Это связано:

– с конструктивными особенностями некоторых типов машин;

– недостаточной чистотой заправляемого хладагента;

– попаданием примесей и загрязнений во время работы Х.М. (например, при разгерметизации системы);

– с остаточными механическими загрязнениями (например, после сборки установки, монтажа или ремонта).

Каждая из этих составляющих оказывает вредное влияние на работу Х.У., поэтому при эксплуатации Х.У. необходимо принимать меры к уменьшению содержания примесей и их удалению. Для этого в схему Х.У. включают дополнительные аппараты, конструкция которых и процессы, протекающие в них, зависят от вида хладагента.

Лекция 1. Смазочное масло в системе холодильной установки

Пар хладагента, транспортируемый по нагнетательному трубопроводу Х.М. с поршневыми, ротационными и винтовыми компрессорами всегда содержит смазочное масло. Оно содержится в виде: частиц (унос), паров (при температуре нагнетания происходит испарение некоторых частиц масла, причем с увеличением температуры нагнетания испаряемость масла увеличивается, например, при ) и мелкодисперсных частиц (мкм), образующихся при конденсации паров.

Количество уносимого масла может быть различным. Оно зависит от скорости витания капель, от взаимной растворимости масла в хладагенте, которая в свою очередь изменяется при изменении температуры, а при определённых условиях раствор масла и хладагента может расслаиваться.

Взаимное расположение слоев смеси обуславливается соотношением плотностей смешивающихся компонентов.

Так, жидкий аммиак в малой степени растворяется в минеральных маслах, а его плотность ρ ≈ 650 кг/м³ < ρ_масла ≈ 900 кг/м³. Поэтому в аммиачных Х.У. масло (в смеси с хладагентом) располагается в самой нижней части аппарата. Во фреоновых установках, в условиях зоны несмешания, слой масла (с хладагентом) [ρ_фр ≈ 1200…1400 кг/м³] располагается над слоем хладона.

Если хладагент и масло очень ограниченно растворимы, то одна из жидких фаз, представляющих собой почти чистое масло, оседает в виде плёнки на теплообменной поверхности аппарата, что создает дополнительное термическое сопротивление и ухудшает теплообмен. В результате уменьшается и увеличивается расход электроэнергии на производство единицы холода, поэтому при таких условиях необходимо обеспечить очистку пара хладагента от масла, чтобы воспрепятствовать попаданию масла в теплообменные (т/о) аппараты и понижению эффективности их работы.

Если хладагент неограниченно растворяется в маслах, то попадание масла в т/о аппарат не влечет за собой образование пленки, ухудшающей теплообмен. Но в испарителе при кипении раствора выделяется наиболее летучий компонент – хладагент, поэтому там все время повышается концентрация масла в растворе. Это вызывает:

1. увеличениепо сравнению с чистым хладагентом;

2. увеличение вязкости хладагентом, что приводит к понижению(коэффициента теплоотдачи со стороны кипящего хладагента) – оба эти фактора вызывают уменьшениеQ₀ и повышению удельного расхода электроэнергии.

Кроме того, скопление масла в испарителе уменьшает количество масла в картере компрессора, что нарушает смазку трущихся частей.

Поэтому, в этих случаях не обязательно улавливать масло перед т/о аппаратами, однако необходимо непрерывно возвращать масло из испарителя в картер компрессора. В таких установках необходимо организовать циркуляцию масла в системе.

В Х.У. с хладагентом, ограничено растворяющимся в маслах (NH₃, R13, R22), в нагнетательном трубопроводе между компрессором и конденсатором устанавливают маслоотделители, конструкции которых могут быть различны:(рис. 12, 13, 14, 15)

Рис.12. Схема маслоотделителя с перегородкой	Рис. 13. Циклонные маслоотделители

а) с перегородкой (рис. 12) – отделение капель масла происходит благодаря резкому уменьшению скорости пара (до 0,5…0,7 м/с) и резкому изменению направления движения. Эффективность низкая –улавливается от 40 до 65 % масла, захваченного паром. Остальная часть масла уносится хладагентом в теплообменные аппараты.

б) циклонного типа (рис. 13).Применяются при сравнительно невысоких температурах (уменьшается унос).

Рис.14. Маслоотделитель с фильтрующими элементами	Рис.15. Маслоотделитель барботажного типа

с) с маслоотбойными системами и фильтрующими элементами ((рис.14) кострукции могут быть различны) плюс охлаждение водой (охлаждение способствует усилению конденсации из масла) – эти конструкции наиболее эффективны в сочетании с б) конструкциями циклонного типа.

До недавнего времени в отечественных аммиачных ХУ применялись маслоотделители с промывкой и отделением масла от пара хладагента при прохождении его через слои жидкого хладагента (рис. 15). Это маслоотделители с промыванием газа или барботажного типа. Пар в них барботируется через слой жидкости, постепенно пополняемый из конденсатора или линейного ресивера.

Начальная эффективность – 95…97 %, затем падает.

Недостатки – при изменении режима работы (отключение или выключение части компрессоров) нарушается питание маслоотделителя жидким хладагентом и падает эффективность. В настоящее время сняты с производства.

Поскольку М/О задерживают только часть масла, то остаток попадает в т/о и др. аппараты Х.У. Вследствие этого все аппараты аммиачных Х.У. имеют в самой низкой части объёма приемник для сбора масла и загрязнений с вентилем для их выпуска. Из этих устройств масло выпускается в сборник (в котором оно частично очищается путем отстаивания), а затем возвращается в картер компрессора.

При использовании хладагентов, неограниченно растворяющихся в масле, замасливание поверхности уменьшается и в конденсаторе масло не оказывает заметного влияния. Однако при кипении в испарителе образуется пар, содержащий практически чистый хладагент. Содержание масла в смеси в испарителе постоянно растет, вязкость раствора увеличивается, ухудшается коэффициент теплоотдачи.

Кроме того, кипение масло–фреонового раствора происходит при переменной температуре, которая с повышением концентрации масла в растворе повышается. Наличие неиспарившегося компонента в смеси уменьшает удельную массовую холодопроизводительность q₀ [например: для R12 при 10 % содержании масла q₀ уменьшается на 13% при t₀ = 0⁰ C, а при t₀ =-35⁰C q₀ уменьшается в два раза]. Кроме того, скопление части масла в испарителе создает его недостаток в картере компрессора. Все вышеуказанное заставляет принимать меры для регулярного удаления масла из испарителей и его возврата в компрессор (чтобы избежать повышения концентрации масла в испарителе.)

Возврат масла выполняется различно в зависимости от конструкции испарителя.

В незатопленных испарителях (например: змеевикового типа) испарители располагают выше компрессора и осуществляют верхнюю подачу хладагента. Всасывающие трубопроводы располагают с уклоном (1…2) град в сторону движения пара.

Рис.16. Схема возврата масла при верхнем расположении змеевикового испарителя

При последовательном соединении нескольких змеевиковых батарей (рис.17) целесообразно для увеличения k затапливать все батареи (т. е. выполнять нижнюю подачу), кроме последней по ходу движения хладагента. В заполненных батареях масло будет удаляться вместе с жидким хладагентом. В последней батарее происходит отделение пара от жидкости, и возврат масла осуществляется по предыдущей схеме (т. е. батарея поднимается над компрессором, и масло возвращается самотеком).

Если испаритель располагается ниже компрессора, то подъем масла осуществляется с помощью гидравлического затвора.

При использовании затопленных испарителей (например: кожухотрубных горизонтальных) применяют два вида возврата масла:

Рис. 17. Схема возврата масла при верхнем расположении змеевикового испарителя и последовательном соединении нескольких батарей

a) самодействующий (нерегулируемый), осуществляемый благодаря удалению масла в виде пены или мелких капель вместе с паром, всасываемым из испарителя;

b) принудительный (регулируемый) выполняемый отбором части жидкого раствора из испарителя.

Способ а) применяют для установок малой производительности, причем лучше при выходе из испарителя влажного пара.

Вариант принудительного отбора (рис. 18): а) когда испаритель выше компрессора; б) когда испаритель ниже компрессора. Обычно отбирается не более (5…7) % от количества циркулируемого хладагента. Степень открытия вентиля 1 устанавливается в процессе работы. Признаком правильности открытия является постоянный уровень масла в картере компрессора. Соленоидный вентиль СВ сблокирован с магнитным пускателем компрессора и закрывается при остановке компрессора. Вариант отбора в насосно-циркуляционной схеме показан на рис. 19.

Рис. 18. Возврат масла в картер компрессора из затопленных испарителей (ПР – поплавковый регулятор)
Рис. 19. Схема отбора от раствора, подаваемого насосом

При проектировании и выполнении паровых трубопроводов необходимо учитывать, что для того чтобы пар увлекал капельки масла, его скорость должна быть не ниже скорости витания капель (не ниже 4..5 м/с).

При работе нескольких компрессоров необходимо предотвращать в схемах трубопроводов возможность скопления масла во всасывающей линии при остановке одного из компрессоров (во избежание гидроудара). Если возникают значительные трудности с возвратом масла в компрессор «из – за» расположения компрессора и охлаждающих приборов, целесообразно в схеме Х.У. предусматривать маслоотделитель (например, при скоростях пара < 4…5 м/с; при большой длине нагнетательного трубопровода, уменьшается ω пара при снижении Q₀ (в установках с регулированием Q₀) и т.п.).

Рис. 20. Присоединение всасывающего трубопровода к параллельно работающим хладоновым компрессорам

Маслоотделитель необходимо предусматривать после компрессоров многоступенчатого сжатия для упрощения возврата масла в следующую ступень.

Утверждать, какие хладагенты предпочтительнее – растворяющие или не растворяющие масла–, видимо нельзя, так как те и другие имеют свои положительные и отрицательные свойства. Необходимо это просто учитывать, чтобы избежать вредные последствия и аварийные ситуации в Х.У.

Лекция 2. Вода в системе холодильной установки

Даже небольшое количество влаги в системе Х.У. может вызвать определенные трудности, которые приходится учитывать конструкторам и преодолевать эксплуатационщикам.

Источниками влаги могут быть:

- Влажный воздух (либо оставшийся после монтажа, либо попавший через неплотности).

- Остатки влаги после гидроиспытаний (при недостаточной ее эвакуации).

- Продукты сгорания газа и флюсов при сварке и пайке соединений.

- Выделение влаги из теплоизоляционных материалов обмоток электродв- игателей.

- При заполнении системы недостаточно осушенным хладагентом и мас- лом (масло, как правило, гигроскопично и при длительном хранении в открытых сосудах может абсорбировать водяной пар из воздуха).

- Недостаточная герметичность конденсаторов водяного охлаждения (про-

пуски влаги через неплотности).

- В период запуска вновь смонтированных установок – влага выделяется из жидкого хладагента (т. к. растворимость воды в хладагенте для ограничен- но растворимых резко снижается при понижении температуры).

Избыток влаги (по сравнению с номинальной растворимостью) находится в жидком хладоне в виде мелких капель. Отсюда возможны следующие негативные явления:

- образование частичек льда влечет забивание проходных сечений дрос- сельных устройств и нарушение циркуляции хладагента;

- активная коррозия металлов (присутствие влаги в хладагенте вызывает образование слабых кислот и оснований)

NH₃ + H₂O коррозия цинка, олова, меди и ее сплавов (за исключением фосфористой бронзы);

R12 + H₂O коррозия сплавов магния ( > 2%Mn) и латуни;

R22 + H₂O коррозия сплавов магния и алюминия;

- в герметичных агрегатах влечет разрушение электрической изоляции об-мотки электродвигателя (при взаимодействии воды и масла образуются кислоты);

- засорение и забивка проходных сечений дроссельных устройств и филь-тров продуктами коррозии;

- дополнительное термическое сопротивление в теплообменных аппаратах от продуктов коррозии;

- образование густых маслянистых осадков (особенно в установках с R22), которые также вызывают засорение фильтров и дроссельных устройств;

- в хладовых установках (из-за присутствия нерастворимой воды) – явле-ние омеднения стальных шлифованных поверхностей приводит к уменьшению зазоров в подшипниках, возникновению неплотностей прилегания клапанов.

Для устранения и недопущения таких явлений предусматривается (для хладонов ограниченно растворимых в воде):

- заправка хладоном с содержанием влаги (R12 обычного качества – не более 0,0020 % по массе; R12 повышенного качества – не более 0.0004% по массе) в соответствии с ГОСТом;

- удаление влаги перед запуском Х.У. и в процессе эксплуатации:

перед запуском – сушка агрегатов в сушильных шкафах, продувка сухим инертным газом (азот или CO₂);

- вакуумирование системы до давления 6…25 Па и выдержка в течение 10…18 часов.

В процессе эксплуатации – химическая сушка при помощи абсорбентов:

- гранулированный силикагель КСМ (до 10 см³ на 1 кг R12; до 35 см³ на 1 кг R22);

- синтетические цеолиты (активированный алюмосиликат) NaA – 2МШ и NaA – 2КТ – по сравнению с силикагелем КСМ достигается меньшее содержание влаги и имеет способность к регенерации (цеолит имеет малые поры, которые не забиваются маслом и не загрязняются).

Осушители могут быть совмещены с фильтрами или устанавливаться перед ними (в крупных установках обычно включают в работу периодически), которые в свою очередь устанавливаются на жидкостной линии перед дроссельным вентилем (Рис. 21).

Рис. 21. Включение осушителей в крупных холодильных установках

Для контроля содержания влаги устанавливают индикаторы влаги, принцип действия которых основан на изменении окраски некоторых солей металлов в зависимости от числа молекул воды, присоединенных молекулой соли (т. е. от степени гидратации). Например, безводный бро- мид кобальта – зеленый свет; CoBr₂*H₂O – синий; CoBr₂*2H₂O – фиолетовый; CoBr₂*6H₂O – розовый. Цвет определяется через смотровое стекло. Наличие розовой окраски означает, что абсорбент следует регенерировать.

В небольших установках, когда система не может быть хорошо высушена, в систему добавляется 1…2 % метилового спирта (яд!!!) от объёма жидкого хладона в системе. Спирт растворяет воду и образует раствор не замерзающий при низких температурах. Однако это хуже, чем сушка, т. к. сохраняется коррозия и возможность загрязнения системы.