9.1 Вимоги до мастил

Основним завданням холодильного масла є зниження тертя, що виникає між рухливими механічними деталями, крім цього воно слугує для підвищення герметичності органів стиску й часткового охолодження деяких компресорів. Для гвинтових компресорів охолодження стає основним завданням, тому що в них масло, змішане з парами, що нагнітаються, дозволяє знизити температуру останніх.

З використанням сучасних екологічних холодильних агентів, виникає необхідність у розробці мастил, для забезпечення належного змащування всіх рухомих частин та відведення тепла від тих вузлів холодильної машини, де виникають значні температурні навантаження. Забезпечивши змащення комрессора, мастило попадає в систему й циркулює разом із холодоагентом, тобто мастило в холодильній установці міститься не тільки в компресорі, але, в невеликих кількостях, і в інших елементах установки. Внаслідок цього, мастило безпосередньо контактує з холодоагентом у широкому діапазоні робочого тиску та температур компресора. Наявність домішок мастила у робочому тілі призводить до зниження холодопродуктивності, збільшення роботи стиснення, зменшення холодильного коефіцієнта і коефіцієнта теплопередачи у випарнику. Тому питання циркуляції мастила контуром холодильної системи мають принципове значення [42 ].

У таких умовах мастило для компресорів холодильних установок повинно мати цілу низку властивостей, серед яких можна, зокрема, виділити такі [43]:

– чистота;

– добрі мастильні властивості, в’язкість та плинність при високих та низьких температурах;

– висока термічна та хімічна стабільність для всього діапазону параметрів роботи установки (низькі температури застигання та помутніння, високі температури займання та розкладання);

– відсутність негативного впливу на конструкційні матеріали установки та холодоагенти;

– добра зміщуванність з холодоагентами;

– низька гігроскопічність.

9.2 Типи мастил та їх характеристики

Тип мастила, що використовується, тісно пов’язаний як із конструкцією компресора, так і з його діапазоном робочих температур та тиску, але, передусім, він залежить від типу холодоагенту, що застосовується.

Холодильні мастила розподіляють на дві великі категорії.

У першу категорію входять мінеральні мастила, які отримують у результаті переробки нафти шляхом її дистиляції та рафінації. Розрізняють парафінові та нафтенові мініральні мастила. Парафінові мастила, з огляду на високу в’язкість при високих температурах, використовуються насамперед у турбокомпресорах.

До другої категорії відносяться синтетичні мастила, які отримують шляхом синтезу однієї або двох певних молекул (наприклад, етілена) при чітко фіксованих температурі й тиску. Вони складаються з молекул, вибудованих таким чином, що завдяки їхній структурі, мастила мають всі необхідні властивості, що забезпечують потрібні споживачам технічні й вартісні показники.

Синтетичні матисла, підрозділяються на п'ять сімейств: вуглеводнів, які використовують у 40 % випадків; ефіри (у 20 % випадків); поліг- ліколи ( у 33 % випадків ); ефірні фосфати ( у 5 % випадків ); інші ( у 2 % випадків ).

Основним показником якості будь-якого мастила є його достатня змащувальна здатність. Однак для мастил, які використаються в холодильних установках, додаються експлуатаційні й інденти- фікацийні характеристики.

До індентифікаційних характеристик, в першу чергу, відноситься колір мастила. Ознакою чистоти мастильного засобу, відразу після виробництва, є, насамперед, його колір та прозорість. Свіже мінеральне мастило звичайно має блідо-жовтий колір. Помутніння та по­темніння мастила свідчить про наявність високого вміста води, нерозчинних смолистих речовин або механічних забруднень (пил, продукти хімічної реакції тощо). Явно чорний колір свідчить, як правило, про перегоряння обмотки електродвигуна.

Запах і наявність осаду, як і колір, дозволяють з першого погляду оцінити якість мастила. До індетифікацийної характеристики можна віднести й щільність масла, що повинна перебувати в межах від 0,8 до 0,9 кг/м³.

До основних експлуатаційних характеристик належить, зрозуміло, змащувальна властивість. Сухе тертя між твердими поверхнями приводить до нагрівання деталей машин і механізмів, появі задирів на їхніх поверхнях і, в кінцевому результаті, до заклинювання деталей тертя. При наявності змащення, тертя відбувається між молекулами рідини, що змащує.

В’язкість. Сили внутрішнього тертя, що виникають у рідині при її русі, приводять до появи зрушуючих напруг, і характеризуються в’язкістю. В’язкість залежить від роду рідини й температури, з підвищенням якої в'язкість зменшується. В’язкість масел до певної міри є функцією й тиску: при тиску до 10 мПа вона незначно підвищується, а при тисках більших 10 мПа – помітно збільшується.

Хімічна стабільність холодильного мастила в часі є запорукою нормальної роботи компресора. Вона залежить від температури й природи холодоагенту, що використовується.

Важливим показником є стійкість мастила при впливі на нього холодоагенту. У випадку хімічної реакції мастила з холодоагентами можуть утворитися продукти полімеризації: шлам і політура. Шлам викликає закупорку канавок компресора, а політура, відкладаючись на тарілках клапанів, приводить до їх залипання.

Крім цього, причиною хімічної нестабільності матисла може стати присутність у холодильному контурі кисню, при недостатньому рівні вакуумування контуру перед заправленням. Окислюючись, мастило змінює колір від блідо-жовтого до коричневого.

Низька гігроскопічність мастила – це ще одна риса, яку повинно мати холодильне мастило. Наявність води у холодильній установці (крім усіх шкідливих наслідків для установки) погіршує мастильні властивості, сприяє утворенню кислот, які призводять до корозії установки. Вода розчиняється в мастилах у порівняно невеликій кількості. Розчинність води збільшується з підвищенням температури й залежить від типу мастила. У синтетичних мастилах розчинність води значно вища, ніж у мінеральних та вуглеводних.

Прийнято вважати, що мастило ще може циркулювати по трубопроводах при температурах на 6-10 ⁰С вище температури застигання, при якій мастило повністю втрачає свою рухливість [35]. Так як у циркулюючому мастилі знаходиться розчинений холодильний агент, то температура застигання такого розчину нижче, ніж чистого мастила. Тому можна застосовувати мастило при температурах більш низьких, ніж температура застигання.

Низькі температури застигання та помутніння також є характерними рисами, які повинне мати мастило для холодильних установок. При низьких температурах осаджуються частинки парафінів, шо ускладнює повернення мастила до компресора, закупорюються мастильні канали та елементи ТРВ (особливо це загрожує капілярним трубкам). Дотримання умови щодо забезпечення відповідно низької температури застигання мастила є необхідним, з огляду на те, що у низькотемпературній частині холодильної установки, особливо у випарнику, може відбуватися осідання мастила на стінках апаратів. Це значною мірою ускладнить теплообмін між холодоагентом та середовищем й практично унеможливить відведення мастила з таких апаратів.

Температуру спалаху мастила визначають у відкритому тиглі при піднесенні полум’я. Спалах мастила пов’язаний з переходом частини його в пароподібний стан. Тому чим нижча температура спалаху, тим більше матисла несеться з компресора в пароподібному стані. Таке мастило важко утримати у пристрої для відділення мастила. Найкращі щодо цього – синтетичні масла.

У холодильних установках, через відсутність повітря, не існує без­посередньої загрози займання мастила, але після перевищення температури термічного розкладання відбувається розкладання мастила та вивільнення з нього летких речовин, що негативно позначається на мастильних властивостях (хімічна стабільність мастила погіршується).

Згідно з міжнародними вимогами температура спалаху мінеральних холодильних мастил повинна бути не нижче 160 - 180 °С.

Показником кислотності (кислотним числом) називають кількість лугу в міліграмах необхідну для нейтралізації кислот, що утримуються в одному грамі мастила. Це число залежить від загальної кількості кислотних продуктів, що містяться в мастилі, та виражається кислотним числом TAN (Total Acid Number). Високе значення кислотного числа вказує на перегрів або окислювання мастила, а також на розкладання холодоагенту. Наявність кислот у контурі холодильної машини приводить до їхньої взаємодії з мідними деталями й, у першу чергу, з обмоткою електродвигунів герметичних і напівгерметичних компре- сорів.

Взаємна розчинність мастила з холодоагентом істотно впливає на характеристики та роботу холодильної машини і компресора. Холодопродуктивність, енергетичні показники, пускові характеристики компресора, теплообмін в апаратах, циркуляція мастила та надійність роботи компресору значною мірою визначається теплофізичними властивостями реального рабочого тіла.

Основна суперечність, при виборі мастила для компресійних холодильних машин, полягає в тому, що кращі умови змащуван- ня та ущільнення компресорів досягаються при застосуванні мастил з низькою розчинністю, у той час як нормальна циркуляція мастила у системі забезпечується в результаті доброї взаємної розчинності.

З огляду лише на мастильні властивості нерозчинність мастила у холодоагенті є дуже бажаною, оскільки тоді не виникають явища спінювання мастильного засобу в картері при зниженні тиску і проблеми зі зміною його в’язкості. У свою чергу, для уможливлення повернення мастила до компресора, здатність мастила утворювати розчини з холодоагентом у повному діапазоні робочих температур установки є безумовною перевагою. Однак слід пам'ятати про факт появи ділянок обмеженої змішуваності (ділянки розшарування). Вони виникають при критичних температурах, коли суміш розшаровується на холодоагент і мастило. Знання про розміри ділянок обмеженої змішуваності відіграє також надзвичайно істотну роль, з точки зору відведення мастила з випарника. Тому добір мастила, що відповідає холодоагенту, має ключове значення.