МАСЛА ДЛЯ ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН

Смазка компрессоров холодильных машин занимает специальное место в технологии компрессорных масел. Ожидаемая долговечность компрессоров холодильных машин непосредственно связана с высоким качеством используемых масел. Взаимодействие с различными веществами, с которыми находятся в контакте масла для холодильных машин, и особенно экстремально высокие и экстремально низкие температуры их применения обусловливают очень специфические требования, предъявляемые к рефрижераторным маслам. Основная функция компрессорного масла заключается в смазке поршней или роторов, уплотнении клапанов и, в некоторых случаях, уплотнении контактных колец. Кроме того, масло должно рассеивать тепло от горячих узлов компрессора и способствовать уплотнению камер сжатия и клапанов. Масло для компрессоров холодильных машин служит в качестве гидравлического регулятора и функциональной жидкости в компрессорах холодильных машин. Очень важно, чтобы холодильное масло, достигающее холодных секций контура в виде масляных паров или масляного тумана либо в результате разбрызгивания, при любых условиях эксплуатации возвращалось в компрессор с помощью механических средств (масляного сепаратора) или с потоком хладагента (растворимость хладагента). На рис. 1. показан принцип охлаждающего цикла со сжатием паров, а на рис. 2. приведена упрощенная схема рефрижераторной системы.

2. Минимальные требования к маслам для холодильных машин

Основные требования к маслам для холодильных машин изложены в DIN 51 503-1. Этот стандарт определяет основные требования к маслам данного типа в зависимости от среды, подвергаемой сжатию. Внедрение новых, не содержащих хлора полярных хладагентов типа HFC R134а (вместо CFC R 12) привело к необходимости пересмотра стандарта DIN 51 503, который в ноябре 1997 г. был модифицирован под названием DIN 51 503-1.

2.1. DIN 51503-1: Масла для холодильных машин, минимальные требования.

Масла для холодильных машин классифицируют по группам в алфавитном порядке в зависимости от хладагентов, подвергаемых сжатию:                             
    КАА — холодильные масла, нерастворимые в аммиаке, аммиачные (NH3) масла;                             
    КАВ — холодильные масла, растворимые в аммиаке, аммиачные (NH3) масла;                             
    КС — холодильные масла для частично и полностью галогенизированных, фторированных и хлорированных углеводородов (CFC, HCFC);                             
    KD — холодильные масла для частично и полностью фторированных углеводородов (FC, HFC);                             
    КЕ — холодильные масла для углеводородных хладагентов, таких как пропан или изобутан.                             
    Имеющиеся типы хладагентов содержатся в DIN 8960 и в стандарте ASHRAE (ANSI/ASHRAE 34-1992) Американского общества инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха. Помимо внешнего вида, плотности (ISO 3675) и вязкости (DIN 51 550) обязательным является определение еще ряда свойств:

Однако данный набор свойств не всегда дает достаточно информации для того, чтобы сделать вывод о пригодности того или иного рефрижераторного масла. В табл. 1. приведены обзорные данные по представленным на рынке важнейшим хладагентам и холодильным маслам.                             
 

Критерии оценки холодильных масел содержатся в DIN 51503-2.

3. Классификация холодильных масел

3.1. Минеральные масла (ММ) — депарафинизированные нафтеновые холодильные масла

Нафтеновые минеральные масла по-прежнему являются важнейшей группой масел для компрессоров холодильных машин, применяющих аммиачные (NH3) хладагенты наряду с CFC и HCF (например, R27). Нафтеновые минеральные масла — это масла, содержащие более 38% углерода в нафтеновых X(N) связях. Нафтеновые холодильные масла, как правило, обладают очень низкими температурами застывания, хорошей низкотемпературной текучестью и высокой термической и химической стабильностью. Для их производства обычно отбирают специальные фракции.

3.2. Минеральные масла (МО) — парафинизированные холодильные масла

Парафиновые минеральные масла — это масла, содержащие менее 33% углерода в нафтеновых X(N) связях. Парафиновые холодильные масла идеальны для применения в турбокомпрессорах R11 и R12 («старого типа») (ISO VG 68 и 100) благодаря хорошим вязкостно-температурным характеристикам. Эти масла не рекомендуются для других компрессоров, поскольку они, как правило, недостаточно стабильны в хладагентах (например, R22 имеет недостаточный интервал смешиваемости). В целом четкой границы между парафиновыми и нафтеновыми маслами не существует.

3.3. Полусинтетические холодильные масла — смеси алкилбензолов и минеральных масел (ММ/АБ)

Полусинтетические холодильные масла представляют собой смеси высокостабильных алкилбензолов и высокоочищенных минеральных масел. Присутствие алкилбензолов значительно повышает растворимость и стабильность нафтеновых компонентов. Соотношение синтетических компонентов обычно находится в пределах 30-60%. Полусинтетические масла рекомендуются для систем типа CFC/HCFC, систем R22 со средне/низко температурным режимом и для холодильников подпитки (например, смеси 401 А/В, 402 А/В и R22).

3.4. Полностью синтетические холодильные масла — алкилбензолы (АБ)

Полностью синтетические холодильные масла на основе химически и термически высокостойких алкилбензолов применяются уже на протяжении ряд лет. Для их изготовления применяют тщательно отбираемые и подвергаемые специальной очистке алкилароматические соединения. Масла подвергают нескольким сложным стадиям обработки с целью удаления труднорастворимых парафинов и других загрязняющих примесей, включая серу. Масла на основе алкилбензолов обладают превосходной растворимостью в хладагентах типа CFC/HCFC (например, R22, R502) и в их смесях при температурах испарения ниже -80 °С (например, R22). Алкилбензолы класса ISO VG 46 и 68 особо применимы для аммиачных компрессоров с очень высокими температурами на выходе, используемых в сложных условиях эксплуатации. По сравнению с холодильными маслами на основе минеральных масел алкилбензолы образуют меньше кокса и других отложений при запуске компрессора. Алкилбензолы применяются в герметически уплотненных и полууплотненных компрессорах. Они широко используются в сочетании с такими хладагентами, как R401 А/В, R402A/B, R22, а также с пропаном/изобутаном. В связи с изменениями в структуре химической промышленности в будущем ожидается дефицит сырья для получения алкилбензолов.

3.5. Полностью синтетические холодильные масла — ПАО

Благодаря своей высокой термической стабильности ПАО рекомендуются для аммиачных (NH3) компрессоров. Образование продуктов окисления (кокса) исключается даже при высоких выпускных температурах компрессора. По сравнению с минеральными маслами применение ПАО позволяет снижать количество масляного тумана и паров масла, накапливаемых в масляных сепараторах (особенно в случае винтовых компрессоров). Содержание масла в парах хладагента также может быть сведено к минимуму. Благодаря своей химической структуре ПАО обладают хорошими вязкостно-температурными характеристиками (высоким индексом вязкости) и, как следствие, высокой низкотемпературной текучестью. Низкие температуры застывания и вязкость этих продуктов гарантируют удовлетворительную циркуляцию масла даже при температуре испарения —50 °С, что важно для использования в недавно разработанных пластинчатых испарителях. ПАО класса вязкости ISO VG 68 обычно применяются в винтовых и поршневых аммиачных компрессорах.

3.6. Полностью синтетические холодильные масла — сложные эфиры полиолов (РОЕ)

Минеральные масла, алкилбензолы или ПАО, ранее применявшиеся в качестве масел для компрессоров холодильных машин, нерастворимы или недостаточно растворимы в таких новых, не содержащих хлора смесях хладагентов, как R134a, R404, R507. Это привело к разработке холодильных масел на основе сложных эфиров полиолов, растворимых в хладагентах FC и HFC (по DIN 8960). Эти продукты обладают высокой химической и термической стабильностью. Законодательным актом, принятым в 1991 г., предписывалось постепенное прекращение применения хлорсодер-жащих хладагентов CFC во всех холодильных установках. С января 1995 г. в новом оборудовании должно было быть полностью исключено применение холодильных масел CFC R134а и в особенности R22, который был заменен на CFC R12. Эти замещающие хладагенты, так же, как и синтетические масла на основе сложных эфиров полиолов, в последнее время получили широкое признание. Эфирные масла применимы для всех холодильных систем, в которых используются хладагенты R134a, R404а и смеси FC и HFC. Продукты соответствующей вязкости (ISO VG 10-320) могут применяться в промышленных и бытовых винтовых и поршневых компрессорах. Следует особо подчеркнуть необходимость строгого соблюдения рекомендаций производителей компрессоров в отношении вязкости используемых масел. Аналогично всем эфирным маслам насыщенные и высокоочищенные масла на основе сложных эфиров полиолов могут подвергаться гидролизу (расщеплению сложных эфиров водой в частичные сложные эфиры и кислотные соединения) при контакте с водой в компрессоре. Поэтому важно, чтобы при хранении и применении эти продукты были защищены от контакта с водой и влагой. Эфирные масла подвергают сверхсушке и хранят в герметичных металлических бочках с содержанием воды не более 30—100 ppm в атмосфере азота.                             
Сложные эфиры полиолов обладают следующими особыми свойствами:                             
    • превосходной растворимостью в хладагентах FC и HFC;                             
    • исключением накапливания масла в конденсаторе/испарителе;                             
    • постоянной теплопроводностью;                             
    • высоким естественным индексом вязкости, хорошими вязкостно-температурными характеристиками и, следовательно, хорошей смазывающей способностью при высоких температурах;                             
    • очень хорошей термической и химической стабильностью даже в присутствии хладагентов;                             
    • превосходной низкотемпературной текучестью;                             
    • долговечностью (длительным сроком службы);                             
    • совместимостью со всеми уплотнительными материалами, например, NRB (бутодиен-акрилонитрильным каучуком), HNBR, EPDM (тройным этилен-пропиленовым каучуком с диеновым сомономером) и другими материалами;                             
    • продукты подвергаются сверхсушке.                             
    Сложные эфиры полиолов — гигроскопичные (т. е. сильно поглощающие воду). Смазочные масла на их основе могут гидролизоваться при длительном хранении, если содержание воды в них превышает 200 ppm.                             
Гидролиз — это расщепление сложных эфиров на кислотные компоненты.

Замена систем CFC на другие хладагенты (методы Retrofit и Drop-in)

Retrofit и Drop-in — названия двух способов замены CFCсистем на другие хладагенты.

Retrofit

Метод Retrofit подразумевает замену самого хладагента (например, R12), а также холодильного масла на основе минерального масла (остаточное минеральное масло в системе может быть сведено к минимуму) с использованием специальных методик. Кроме того, при этом в ряде случае необходима модификация или замена ряда узлов в системе — расширительных клапанов, сухих газоочистителей или уплотнений.                             
В методе Retrofit предполагается применение долговечных хладагентов-заменителей (например R134а и эфирных масел). Применение данного подхода связано с большими затратами и оправдано только для новых систем.

Drop-in

Метод Drop-in предполагает замену только хладагента. Характеристики нового хладагента должны быть аналогичны характеристикам заменяемого продукта (с точки зрения совместимости с минеральными маслами или с алкилбензолами) в такой степени, чтобы исключить необходимость модификации или замены других узлов системы. Рекомендуется установка расширительного клапана в исходное положение и исключение его перегрева. Хладагенты-заменители обычно представляют собой азеотропные смеси HCFC хладагентов типа R22 смесей. Благодаря своей сравнительно низкой стоимости метод Drop-in рекомендуется для более старых систем.                             
    Хладагенты, применяемые в данном методе, как правило, представляют собой смеси хладагентов R22 и HFC. Поскольку R22 является озоноразрушающим веществом, его долговременное применение не представляется перспективным. В Германии, например, закон, запрещающий применение CFC, разрешает использование R22 только в новых системах вплоть до 2000 г. По этой причине хладагенты типа Drop-in рекомендуются только для систем, срок эксплуатации которых приближается к завершению, или для систем, в которых невозможна замена масла. Во многих случаях рекомендуется переход на алкилбензолы или смеси алкилата с минеральным маслом. (Примечание: они способны удалять хлорсодержащие загрязняющие примеси и другие остатки из системы циркуляции хладагента.).

3.7. Полностью синтетические холодильные масла — полигликоли (PAG) для R134а

Для систем кондиционирования воздуха в легковых автомобилях используются полностью синтетические холодильные масла на основе полигликолей типа R134а. Наряду с использованием масла R134а вместо R12 в системах автомобильного кондиционирования воздуха большинство таких компрессоров рассчитаны на применение масел на основе полиалкиленгликолей (PAG). Эти полиалкиленгликоли не всегда совместимы и смешиваемы с нормальными маслами на основе минеральных масел, алкилбензолами или сложными эфирами, на что стоит обратить внимание при подпитке и техническом обслуживании таких систем. Полигликоли по своей природе являются полярными веществами и поэтому смешиваются с R234a. Полярные свойства делают полигликоли очень гидроскопичными, что необходимо учитывать при обращении с этими специальными смазочными маслами. При заправке содержание воды в полигликолевых маслах должно быть меньше 700—1000 ppm (для свежего масла по DIN 51 503-1 — 300 ppm). Холодильные масла на основе PAG подвергаются тщательной осушке перед употреблением.

3.8. Полностью синтетические холодильные масла — полигликоли для NH3

Полностью синтетические холодильные масла на основе полигликолей (ISO VG 68, ISO VG 100), растворимые или частично растворимые в аммиаке. Ранее для аммиачных систем применяли нафтеновые минеральные масла, алкилбензолы и РАG Проблемы обогащения масла и отложений в таких системах хорошо изучены. Полигликоли обладают хорошей растворимостью и смешиваемостью с аммиачными хладагентами, что позволит в будущем создавать новые низкотемпературные системы с сухим испарением. Тщательно подобранные синтетические компоненты имеют превосходные вязкостно-температурные характеристики и высокую термическую стабильность. Содержание воды в маслах на основе полигликолей должно поддерживаться на низком уровне (около 300-500 ppm). Следует избегать смешения или загрязнения минеральными маслами.

3.9. Прочие синтетические жидкости

Ранее при температурах испарения ниже —120 °С применяли поликремниевую кис¬лоту и синтетические жидкости на основе сложных эфиров. Продукты на основе маловязких силиконовых масел (полидеметилсилоксаны — PDMS) также находят применение для данного назначения. Согласно рекомендациям производителей, альтернативой является применение маловязких полиэфирных масел.

3.10. Холодильные масла для СO2

Натуральный хладагент СO2 широко применяется многими пользователелями. Свойства смесей СO2 с маслами еще не до конца изучены (как в суб- так и в транскритических условиях). 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 O2 (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

5.1. Общий обзор

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 хо¬лодильного 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 R124a 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.

Роман Маслов.                             
По материалам зарубежных изданий.