W artykule przedstawiono analizę pracy sprężarki pod kątem smarowania olejem elementów ruchomych.

Rys. 1. Podział sprężarek [1]

W układach chłodniczych niezbędnym urządzeniem do zrealizowania lewobieżnego obiegu chłodniczego jest sprężarka, która, po doprowadzeniu do niej pracy napędowej z zewnątrz, pozwala na odebranie ciepła niskotemperaturowego w parowaczu, następnie sprężanie czynnika chłodniczego i oddanie go w skraplaczu na wyższym poziomie temperaturowym – zgodnie z II Zasadą Termodynamiki.
Sprężarki dzielimy ze względu na zasadę działania i budowę. Najczęściej stosowane sprężarki przedstawia rysunek 1.
Termodynamiczna analiza pracy napędowej sprężarki nie zostanie omówiona, ze względu na obszerność tematu i jego dostępność w literaturze naukowej (np. W. Warczak „Tłokowe sprężarki ziębnicze” WNT W-wa 1972). Obszar analizy zostanie zawężony do awarii sprężarek tłokowych objętościowych i poprawności wykonywania czynności po spaleniu się uzwojenia silnika sprężarki.
Obiegi chłodnicze rozpatrujemy na podstawie obiegu suchego przegrzanego Lindego (obieg idealny lewobieżny). Przykładowy obieg został przedstawiony na wykresie log p-h (rys. 2.).

Czynniki chłodnicze
Czynnikiem chłodniczym nazywamy taki płyn, który pracując przy niskiej temperaturze i niskim ciśnieniu, pobiera ciepło z otoczenia i w ten sposób powoduje obniżenie jego temperatury. Następnie ciepło jest oddawane przy wysokiej temperaturze i ciśnieniu do innego otoczenia. Czynniki chłodnicze powinny się charakteryzować następującymi właściwościami:
• ujemną wartością normalnej temperatury wrzenia w warunkach normalnych,
• niską jednostkową pracą sprężania wspr,
• wysoką właściwą wydajnością chłodniczą qo,
• wysokim współczynnikiem przejmowania ciepła w procesach skraplania i wrzenia,
• niskim punktem krzepnięcia oraz wysokim punktem krytycznym,
• małą masą cząsteczkową,
• pełną stabilnością chemiczną w pełnym zakresie temperatury pracy oraz obojętnością chemiczną w stosunku do wszystkich materiałów zawartych w urządzeniu,
• niezdolnością do tworzenia mieszanin wybuchowych z powietrzem,
• małą lepkością (żeby przepływ czynnika nie tworzył zbyt dużych oporów hydraulicznych),
• pracą w nadciśnieniu przy najniższej temperaturze w parowaczu (aby nie nastąpił dopływ powietrza i wilgoci z otoczenia),
• małą objętością właściwą pary nasyconej suchej (mniejsze wymiary sprężarki),
• zdolnością do rozpuszczania niewielkiej ilości wody (wymrożenie wody np. przed zaworem rozprężnym),
• być niepalne i nietrujące,
• nie mogą niszczyć oleju smarnego,
• zerowym potencjałem niszczenia warstwy ozonowej ODP,
• niskim potencjałem efektu cieplarnianego GWP,
• być łatwo wykrywalne w przypadku nieszczelności,
• mieć niską cenę.

Z uwagi na cały szereg prac naukowych na temat czynników chłodniczych, nie będę opisywać w tej pracy właściwości cieplnych i fizykochemicznych wszystkich czynników. Ograniczę się do opisania mieszalności z olejami czynników syntetycznych, które są najczęściej stosowane w praktyce, czyli: R22 (do 2015 r. dopuszczony do pracy w starych instalacjach), R134a, R404A, R507, R407C, R410A oraz R290 i R600a.

Czynnik chłodniczy R22 (HCFC 22) [3] (...)

Czynnik chłodniczy R134a (HFC 134a) [3] (...)

Czynnik chłodniczy R404A (HFC 404A) [3] (...)

Czynnik chłodniczy R507 (HFC 507) [3] (...)

Czynnik chłodniczy R407C (HFC 407C) [3] (...)

Czynnik chłodniczy R410A (HFC 410A) [3] (...)

Czynnik chłodniczy R290 Propan C3H8 [3] (...)

Czynnik chłodniczy R600a Izobutan (CH3)3–CH [3] (...)

Olej w instalacji chłodniczej
Instalacje chłodnicze często pracują z czynnikami chłodniczymi o nieograniczonej wzajemnej rozpuszczalności w oleju. Olej, krążący w instalacji chłodniczej, musi powrócić z powrotem do sprężarki (obieg olejowy). Czynnik rozpuszczony w oleju umownie nazywamy ciekłym. Olej, powracający z zasysanymi parami, częściowo dostaje się do karteru sprężarki. Część jego dostaje się do cylindrów i ponownie jest przetłaczana do rurociągu tłocznego.
Z upływem czasu w obiegu ustala się stan równowagi, przy którym ilość oleju w elementach instalacji chłodniczej pozostaje niezmienna, a ilości unoszonego z układu do sprężarki i dostającego się do niej z powrotem oleju są sobie równe. Ilość krążącego oleju wynosi od 10 do 15 proc. ilości substancji czynnika chłodniczego. Jednak im lepiej olej oddziela się w sprężarce z zassanych par, tym mniejszy jest jego udział substancjalny w krążącym czynniku.
W instalacjach chłodniczych średnio- i wysokotemperaturowych (podział ze względu na temperaturę odparowania) zwykle nie umieszcza się odolejaczy na przewodzie tłocznym sprężarki, gdyż dopływający z nich do karteru sprężarki olej zawiera znaczne ilości rozpuszczonego czynnika chłodniczego, bezużytecznie wypełniającego objętość roboczą cylindra. Zawartość czynnika w oleju wzrasta jeszcze bardziej, gdy odolejacz oddaje ciepło i zbliża się do temperatury skraplania tk. Olej z rozpuszczonym w nim czynnikiem chłodniczym powraca grawitacyjnie z parowaczy przepływowych do rurociągu ssawnego i dalej do sprężarki. Aby usunąć olej z parowaczy płaszczowo-rurowych, konieczne jest odessanie z nich par mokrych, zawierających drobiny ciekłego czynnika z rozpuszczonym w nim olejem. W wymienniku ciepła następuje osuszenie i przegrzanie pary. Gdy para, dopływająca do sprężarki, jest przegrzana (o 30÷40 K) ponad temperaturę nasycenia, w oleju pozostaje tylko nieznaczna ilość rozpuszczonego czynnika, nie mająca praktycznie wpływu na wydajność sprężarki. Gdy czynniki chłodnicze mają w roztworze z olejem strefę niemieszalności, przy temperaturze odparowania leżącej poniżej temperatury krytycznej rozpuszczania, ciecz w parowaczach rozwarstwia się na dwie fazy. Olej (z rozpuszczonym czynnikiem), występujący w ciekłym czynniku w postaci zawieszonych w nim drobin, osiada na powierzchniach wymiany ciepła i wypływa na powierzchnie cieczy, utrudniając proces wrzenia czynnika. Parowacze przepływowe charakteryzują się znacznym oporem przepływu dla ciekłego czynnika; spadek ciśnienia może osiągać kilkaset Pa. Temperatura wrzenia wzdłuż takiego parowacza zmienia się przy obniżeniu ciśnienia oraz wskutek wzrastania zawartości oleju w czynniku.
Ilość oleju w obiegu powinna być minimalna. Wpływ oleju na działanie urządzeń chłodniczych przedstawia się następująco: przy określonej temperaturze wrzenia ciśnienie powinno być utrzymywane niższe niż przy braku oleju, w wyniku czego obniża się wydajność masowa oraz wydajność chłodnicza sprężarki. W parowaczach przepływowych temperatura wrzenia w miarę przepływu cieczy podwyższa się, co prowadzi do zmniejszenia różnicy temperatury na odpływie i konieczności zwiększenia powierzchni wymiany ciepła wymiennika. Wydajność sprężarki obniża się jeszcze bardziej w wyniku odparowywania czynnika chłodniczego z oleju powracającego do sprężarki, a także z powodu zmniejszenia sprawności objętościowej sprężarki, w związku z cyklicznym rozpuszczaniem się czynnika w oleju znajdującym się w cylindrze.
Współczynniki wnikania ciepła w skraplaczu i parowaczu zmieniają się z powodu różnych fizycznych właściwości czystego czynnika i roztworu oleju z czynnikiem. Oprócz tego, w urządzeniach niskotemperaturowych przy czynnikach o ograniczonej rozpuszczalności oleju, olej może osiadać na powierzchniach wymiany ciepła w parowaczach. Możliwe jest również krzepniecie oleju. Po stronie niskiego ciśnienia z oleju mogą wydzielać się parafiny w postaci krystalicznej lub bezpostaciowo.

Podsumowanie
W drugiej części artykułu przedstawione zostaną rozwiązania układów olejowych z pojedynczymi odolejaczami oraz centralnym odolejaczem. Zostanie zwrócona uwaga na symptomy uszkodzenia uzwojenia elektrycznego oraz zawarte w niej będą wskazówki, co zrobić, jeżeli już dojdzie do zwarcia masy silnika elektrycznego sprężarki. Opisana zostanie prawidłowa procedura poprawy i wymiany nowej sprężarki po spaleniu uzwojenia z użyciem testera kwasowości ACID-DETECTOR oraz neutralizatora ACID-AWAY.

LITERATURA
[1] L. CANTEK, M. BIAŁAS: Sprężarki chłodnicze. Wydawnictwo PG. Gdańsk, 2003.
[2] COOLPACK Technical University of Denmark 2000.
[3] Z. BONCA, D. BUTRYMOWICZ, W. TARGAŃSKI, T. HAJDUK: Nowe czynniki chłodnicze i nośniki ciepła. IPPU MASTA. Gdańsk.
[4] Praca zbiorowa: Poradnik Chłodnictwa. WNT. Warszawa.
[5] Danfoss sprężarki Maneurop MT/MTZ. Wskazówki montażowe. Grodzisk Maz., 2001.

AUTOR:
Sławomir NOWAK
– Specjalista ds. Chłodnictwa WIGMORS