Маслоотделитель для кондиционера или холодильного компрессора. Проблемы и решения

Эффекты со знаком плюс и минус

На циркуляцию масла в холодильных установках оказывают влияние несколько факторов, один из которых – взаимная растворимость хладагентов и масла. Положительная сторона взаимной растворимости в том, что она обеспечивает смазку деталей компрессоров и способствует уплотнению динамических функциональных зазоров. Негативной же стороной является снижение кинематической вязкости масла, что уменьшает его смазывающую способность. При этом чем выше процент растворенного хладагента в масле, тем ниже его смазывающая способность.

Каждый тип масла имеет свою характеристику растворимости в зависимости от температуры масла и давления хладагента (рис. 1).

Чем выше давление и ниже температура, тем растворимость фреона в масле выше. Помимо растворимости существует понятие смешиваемости – образование однородной среды из масла и хладагента в жидком состоянии. Для нас интересны, в первую очередь, так называемые разрывы смешиваемости – диапазоны температуры, в которых происходит расслоение (разделение фаз). Разрывы растворимости для масла BSE55 (см. рис. 1) показаны на рис. 2.

Еще один негативный эффект - унос масла из картера компрессора в систему. Когда компрессор выключен, масло в картере абсорбирует некоторое количество хладагента, зависящее не только от температуры и давления, но и от процедуры остановки компрессора. При очередном старте компрессора в картере резко падает давление, что приводит к вскипанию хладагента, растворенного в масле. Масло в таком случае увлекается в большом количестве парами хладагента как в виде мелкодисперсных частиц, так и в парообразном состоянии. В результате в момент старта уносится самое большое количество масла.

По этой причине один из производителей рекомендует для своих компрессоров Copeland максимум 10 пусков в час. Количество пусков и остановок спирального компрессора ограничено только параметрами системы (тепловая нагрузка, температуры в помещении и на улице и т.д.). Минимальный промежуток между пусками зависит только от скорости возврата масла из системы после включения и складывается из времени уноса масла в систему при включении и времени возврата масла из системы и пополнения картера до необходимого уровня. Более частое включение компрессора, скажем, из-за большой тепловой нагрузки на испаритель, может привести к уносу масла из картера и повреждению компрессора.

Из компрессора во фреонопровод

Проследим путь смеси из фреона и масла далее. После компрессора смесь попадает во фреонопровод. При движении рабочего тела по трубопроводу температура пара вследствие теплообмена с окружающей средой понижается, часть парообразного масла конденсируется и движется с потоком фреона в виде мелких капель. Размер частиц масла, унесенных потоком пара хладагента из компрессора, составляет 5–50 мк. Таким образом, масло, транспортируемое потоком рабочего тела по нагнетательному трубопроводу, находится как в виде пара, так и в виде капель – мелких, образовавшихся при конденсации парообразного масла, и более крупных, увлеченных потоком пара из компрессора.

Очевидно, что для нормальной циркуляции масла в системе скорость в трубопроводах необходимо держать минимальной как на стороне всасывания, так и на стороне нагнетания. Для газовых магистралей рекомендуются скорости 6–15 м/с, а для жидкостных не более 1,2 м/с. Разные источники дают разные значения оптимальной скорости движения хладагента, но все сходятся в том, что скорость на газовых магистралях должна быть выше скорости витания, а именно не должна падать ниже 2,5 м/с на горизонтальных участках и 7,5 м/с – на вертикальных.

Ключевая задача при выборе диаметров фреонопроводов – обеспечить циркуляцию масла (количество уносимого масла должно равняться количеству вернувшегося) при допустимых потерях на сопротивление трубопроводов (сопротивление трубопроводов и элементов холодильной установки может значительно снизить ее холодопроизводительность с одновременным повышением энергопотребления).

Для интенсификации возврата масла линии фреонопроводов должны иметь уклоны (газовая магистраль – к конденсатору, жидкостная – к внутреннему блоку), а на вертикальных участках газовых магистралей следует устанавливать маслоподъемные петли. Допускается менять диаметры горизонтальных и вертикальных фреонопроводов.

У систем с переменным расходом хладагента можно встретить сдвоенное исполнение вертикальных участков (рис. 3). Это необходимо, чтобы предотвратить образование масляных пробок при работе с минимальной производительностью, когда скорости потока становится недостаточно для подъема масла.

Рис. 3. Дублирование вертикального участка фреонопровода

При таком исполнении диаметр малой трубы выбирается так, чтобы при минимальной производительности скорость потока в ней не падала ниже 5 м/с, а диаметр большой – так, чтобы при работе на полную мощность скорость в обеих трубах не превышала 20 м/с.

Типы маслоотделителей и их эффективность

Помимо проектных решений, связанных с прокладкой и выбором диаметров фреонопроводов, которые не всегда способны обеспечить нормальную циркуляцию масла, существуют механические способы отделения масла от хладагента. Так, в холодильной технике используются маслоотделители разных конструкций. Они предназначены для улавливания масла, уносимого хладагентом из компрессора, и сглаживания пульсаций нагнетаемого пара хладагента.

Маслоотделители делятся на промывные (барботажные) и инерционные (циклонные, сетчатые, комбинированные). Остановимся на маслоотделителях инерционного и циклонного типа, которые встречаются чаще всего. Они устанавливаются на газовую магистраль между компрессором и конденсатором.

В инерционном маслоотделителе капли масла отделяются за счет резкого изменения скорости и направления потока. Эффективность такого решения, по данным разных производителей, составляет до 80%.

В циклонных маслоотделителях (рис. 4) установлена спиральная пластина. Поток пара поступает на спиральную пластину и закручивается, при этом возникают центробежные силы, под действием которых капли масла отбрасываются к внутренней поверхности маслоотделителя, а затем стекают вниз. Эффективность данного устройства может достигать 99%.

Рис. 4. Циклонный маслоотделитель

Линию возврата масла подключают либо на сторону всасывания, либо через специальный регулятор уровня масла, устанавливающийся вместо смотрового глазка на картере компрессора. Первый вариант используется для компрессоров без смотровых глазков, второй вариант надежнее, но дороже.

При остановке компрессора часть горячего газа может конденсироваться внутри маслоотделителя, так как температура снаружи ниже, чем температура горячего газа. В результате уровень жидкости повысится, открыв тем самым поплавковый клапан, и жидкий хладагент может попасть в картер компрессора. Электронный регулятор позволяет этого избежать, открываясь только тогда, когда уровень масла падает внутри самого компрессора.

Унесенное хладагентом масло при неправильно спроектированных фреоновых магистралях, пройдя весь путь от компрессора до испарителя, может накапливаться в последнем и спровоцировать гидроудар. Избежать этого можно, установив на всасывающий трубопровод отделитель жидкости. Особенно это актуально в системах, где температура испарения и тепловая нагрузка на испаритель меняются в больших пределах, что может привести к заливу компрессора жидким хладагентом. Однако отделители жидкости не используют с зеотропными смесями (R407C), поскольку это может вызвать изменение их состава и увеличение температурного скольжения, а также в установках с функцией pump-down.

Наконец, стоит отметить, что уносимое масло образует тонкую пленку внутри трубопроводов и теплообменников, что препятствует нормальному теплообмену и снижает его интенсивность. Такое снижение наиболее заметно в испарителе, где благодаря низкой температуре масло и хладагент легко разделяются.

Итак, в большинстве случаев обеспечение нормальной циркуляции масла в системе сводится к грамотному проектированию фреоновых трасс. В некоторых случаях требуются добавление специальных устройств и настройка холодильного контура, что позволяет защитить компрессор и гарантирует, что масло не будет накапливаться в застойных зонах, предотвращая неизбежный гидроудар при их опорожнении.

Компания HTS, официальный дистрибьютор оборудования Stulz в России, всегда готова подобрать для своих клиентов оптимальные и надежные системы, основываясь на
многолетнем опыте в решении непростых задач.

Статья опубликована в журнале ИКС, № 2/2020