4.8. Проблема перетекания жидкого хладагента

4.8.1. Проблема перетекания жидкости в конденсатор

Перетекание жидкого хладагента в конденсатор будет в том случае, когда конденсатор будет находиться при более низкой температуре, чем температура жидкостного ресивера после остановки компрессора. В этом случае жидкость из теплого ресивера также будет перемещаться в конденсатор. При последующем включении компрессора ресивер больше не будет содержать жидкости, давление конденсации будет очень низким, а ТРВ и испаритель не смогут быть нормально запитанными, в связи, с чем компрессор быстро отключится по команде предохранительного реле НД.

4.8.2. Проблема перетекания жидкости в нагнетающую полость головки блока компрессора при его остановках

Если жидкость накапливается в нагнетающей полости головки блока над клапаном, часть этой жидкости может проникать в цилиндры под действием разности между давлением нагнетания и давлением всасывания с обеих сторон клапана при условии, что клапан не вполне герметичен. При последующем запуске компрессора может возникнуть гидроудар, который может привести к поломке или разрушению клапана.

Опасность перетекания жидкого хладагента в полость нагнетания головки блока возникает каждый раз, когда температура компрессора оказывется ниже температуры конденсатора.

Если опасность такого перетекания очень велика, необходимо либо между компрессором и конденсатором установить обратный клапан, либо поставить на магистрали нагнетания простую лирообразную маслоподъемную петлю соответствующих размеров, поместив ее в непосредственной близости от компрессора.

Опасности, вызываемые маслом

При остановке компрессора масло под действием силы тяжести стекает вниз. Если конденсатор расположен над компрессором с разностью уровней (высота Н, рис. 4.42) более трех метров, то экспериментально установлено, что количество масла стекающего в полость нагнетания компрессора может оказаться достаточным для того, чтобы возник гидроудар при повторном запуске.

Опасность этого еще более усугубляется, если во время остановки компрессора в нагнетающем патрубке происходит конденсация хладагента, который также стекает в головку блока.

Таким образом, чтобы предотвратить возможный возврат жидкости (масла или хладагента) в компрессор при его остановке, необходимо внизу восходящего трубопровода, если его высота превышает 3 метра, установить маслоподъемную петлю (поз.1), а также соблюдать при монтаже горизонтальных трубопроводов наклон от компрессора не менее 12мм/м.

4.8.3. Проблема перетекания жидкого хладагента в картер компрессора при остановках

Масло во время остановок может сильно разбавляться хладагентом, что приводит к потере маслом значительной части своих смазывающих свойств.

Поскольку хладагент более плотный, чем масло, слой хладагента в картере всегда будет находиться под слоем масла.

Если количество жидкого хладагента в картере велико, отток масла при вскипании хладагента в момент запуска может стать значительным. При этом масло может также провоцировать очень сильные гидроудары.

Кроме того, так как смазка поршневых компрессоров обеспечивается за счет масла, находящегося в картере, то присутствие в нем жидкого хладагента будет ухудшать смазку трущихся частей.

Когда смазка компрессора обеспечивается с помощью масляного насоса, масло отбирается со дна картера через масляный фильтр и потом нагнетается насосом в смазочные канавки.

При попадании в насос жидкого хладагента и масла могут произойти два следующих события:

1) разрежение в зоне заборника масляного насоса при его запуске приводит к вскипанию хладагента с последующей кавитацией на входе в насос и полным исключением подачи масла в смазочные канавки, а также создает опасность разрушения самого насоса;

2) масло из насоса не вытекает, а хладагент поступает в масляный контур, смывая смазку со всех подвижных частей компрессора.

В обоих случаях компрессор работает без всякой смазки, так как жидкий хладагент совершенно нельзя удалить. Поэтому повторные запуски в этих случаях совершенно недопустимы, поскольку могут стать причиной многочисленных механических поломок в компрессоре.

Причины попадания жидкого хладагента в картер

Во время остановки компрессора жидкий хладагент, находящийся в испарителе, также может стекать в корпус компрессора.

Когда испаритель не запитывается снизу, для исключения стекания жидкости под действием силы тяжести в картер компрессора на всасывающей магистрали устанавливается лирообразный затвор с маслоподъемной петлей (поз.2, рис. 4.43).

Верхняя точка затвора при этом должна оказаться выше уровня испарителя.

Однако затвор хотя и может помешать стеканию жидкости под действием силы тяжести в картер при остановках компрессора, тем не менее, иногда он может оказаться причиной огромного выброса жидкости во всасывающую магистраль в момент запуска, что порождает опасность возникновения гидроудара. Более того, лирообразный затвор не обеспечивает защиты от перетекания жидкости в картер в тех случаях, когда температура компрессора ниже температуры испарителя (так называемый эффект холодной стенки Ватта).

Следует также отметить, что большое количество хладагента в картере может искусственно поднимать уровень масла, создавая иллюзию благополучия при визуальном контроле уровня масла через смотровое стекло указателя уровня.

Наилучшим решением проблемы предотвращения перетекания жидкого хладагента в картер компрессора во время его остановок является использование подогрева масла с помощью электронагревателя, устанавливаемого в картере. При этом тепловая мощность электронагревателя должна обеспечивать нагрев масла до температуры, примерно на 10…20 град., превышающей температуру окружающей среды, главным образом для того, чтобы предотвратить перетекание в картер жидкого хладагента, обусловленное эффектом холодной стенки Ватта.

Чтобы ограничить возможное стекание жидкости в картер компрессора при его остановках, на жидкостной линии как можно ближе к ТРВ устанавливают электромагнитный клапан VEM (рис.4.44).

Поскольку при каждой остановке компрессора этот клапан закрыт, количество жидкости, которое может стечь в картер, ограничено содержимым жидкостью в испарителе плюс жидкостью, содержащейся в заклапанном объеме VEM.

Кроме того, при остановках компрессора обеспечивается подогрев масла с помощью картерного электронагревателя RC, который предназначен для испарения хладагента, который может попасть в картер. Одновременно электронагреватель, подогревая масло, во многом предотвращает возможность перемещения хладагента в картер, обусловленную эффектом холодной стенки Ватта.

При каждой остановке компрессора в испарителе остается хладагент и какое-то количество масла. В установках, где стекание масла в компрессор под действием силы тяжести невозможно (например, если испаритель расположен ниже компрессора), или когда масло в контуре накапливается в результате изменения массового расхода хладагента (например, если компрессор оборудован системой регулирования производительности), появляется необходимость возвращать это масло в картер компрессора при каждой остановке. Для возврата масла в картер необходимо перегнать в компрессор максимальное количество хладагента, но при этом перед каждой остановкой следует отвакуумировать испаритель. После вакуумирования испарителя при открытии клапана VEM испаритель резко заполняется потоком жидкого хладагента (рис. 4.45) и масло, накопленное в испарителе, вытесняется этим потоком в компрессор. Это позволяет перегнать максимальное количество масл а перед повторным включением компрессора.

Вакуумирование перед остановкой обязательно для агрегатов, в которых предвидятся сложности с возвратом масла в компрессор.

Предотвращение перетекания жидкости при использовании маслоотделителя

В кондиционерах маслоотделители в холодильном контуре практически не используются. Однако в промышленном и торговом холодильном оборудовании, особенно при очень низких температурах кипения, маслоотделители применятся гораздо чаще.

Маслоотделитель (поз.1, рис.4.46) устанавливается на нагнетающей магистрали компрессора.

Горячие газы, выходящие из нагнетательного патрубка компрессора, поступают в накопительную камеру (поз.2) маслоотделителя, снабженную поплавковым клапаном (поз.3). Когда уровень масла в ней повышается, поплавок всплывает, открывая сливное отверстие, через которое масло под действием давления нагнетания может возвращаться в картер компрессора (поз.4).

Во время остановок компрессора часть пара высокого давления, находящаяся в маслоотделителе, может конденсироваться, так как температура воздуха, окружающего маслоотделитель, ниже температуры пара. Сконденсировавшаяся жидкость, попадая в накопительную камеру, поднимает уровень жидкости в ней и поплавковый клапан открывается, в результате чего жидкий хладагент может попасть в картер.

Возможные решения этой проблемы могут быть связаны, например, с теплоизоляцией маслоотделителя, подогревом маслоотделителя при остановке компрессора и др.

4.8.4. Проблема возврата масла

Масло, применяемое для смазки холодильных компрессоров, очень хорошо смешивается с обычными хладагентами.

В процессе работы вместе со сжатыми газами из цилиндра в виде масляного тумана уносится какое-то очень небольшое количество масла. Дополнительно к этому в периоды, когда компрессор не работает, масло, находящееся в его картере, поглощает какое-то количество хладагента. Когда компрессор вновь запускается, резкое падение давления в картере вызывает вскипание хладагента, растворенного в масле, и образование газомасляной эмульсии. Такая эмульсия всасывается поршнями и нагнетается в конденсатор. В результате, в момент запуска из компрессора в контур уходит самое большое количество масла.

Поскольку масло предназначено для смазки подвижных узлов компрессора, оно должно находиться не в контуре, а в картере. В связи с этим, необходимо с одной стороны максимально ограничить выброс масла из компрессора, а с другой стороны, обеспечить, чтобы масло, которое ушло из компрессора, могло беспрепятственно обратно возвратиться в картер.

Если количество вышедшего через нагнетающий патрубок масла будет превышать количество масла, вернувшегося через всасывающий патрубок, то через какое-то время уровень масла в картере понизится до опасного предела, за которым нормальная смазка компрессора будет невозможной.

С другой стороны, если вместе с маслом в картер будет возвращаться аномально большое количество хладагента, его количество, растворенное в масле, может стать недопустимо большим.

При запуске бурная дегазация масла, обусловленная резким падением давления в картере, приведет к образованию большого количества газомасляной эмульсии, что может вызвать срыв подпитки масляного насоса.

Работа компрессора с повышенной частотой включений и выключений также создает угрозу опасного понижения уровня масла, поскольку при запусках оно выводится в контур наиболее интенсивно. Следует отметить, что в этом случае положение не спасет даже предохранительное реле контроля давления масла, поскольку оно очень медленно реагирует на изменение давления, а повреждения, обусловленные плохой смазкой при каждом очередном запуске, могут накапливаться, приводя к непоправимым механическим разрушениям подвижных деталей компрессора.

Другая проблема возникает при неудачно спроектированной конструкции или прокладке трубопроводов всасывания. Масло может накапливаться в застойных зонах или участках с отрицательным уклоном.

При опорожнении застойных зон масляная пробка может быть резко всосана компрессором, что приводит к гидроудару, порождающему те же повреждения, что и обычный гидроудар.

Так например, на рис.4.47 вверху показано, что слишком большая длина L застойной зоны приводит к тому, что в ней обязательно будет накапливаться значительное количество масла. По мере накопления масла в застойной зоне его уровень в трубе повышается, приводя к уменьшению проходного сечения для газа и, следовательно, повышению потерь давления (Р₁>Р₂).

Давление Р₂ будет падать до тех пор, пока разность давлений Р₁ и Р₂ не окажется достаточной для того, чтобы протолкнуть масляную пробку во всасывающую полость головки блока. В этот момент в полость резко поступит большое количество масла, что и приведет к возникновению гидроудара.

Такие же проблемы могут возникнуть, если масло накапливается на участке трубопровода всасывания с отрицательным уклоном (рис. 13.1 внизу).

Кроме того, присутствие масла внутри трубопроводов создает на их внутренней поверхности тонкую изолирующую масляную пленку, что препятствует нормальному теплообмену между воздухом и хладагентом и снижает коэффициенты теплопередачи в конденсаторе и испарителе.

Если в испарителе скапливается слишком много масла, то это может привести к снижению его холодопроизводительности.

Влияние скорости пара в трубопроводах на процесс возврата масла

В горизонтальных участках трубопровода основная часть масла течет естественным образом в направлении наклона (если он существует). В отсутствие наклона, если скорость в трубопроводе низкая, масло стремится под действием силы тяжести осесть на дно трубы и застаивается там. При скорости выше 2,5м/с масло перемещается в направлении движении хладагента даже в отсутствии наклона. Для всех горизонтальных трубопроводов рекомендуется минимальный наклон 12мм/м в направлении движения потока.

В вертикальных участках трубопроводов проблема возврата масла осложняется действием силы тяжести, которая заставляет масляную пленку двигаться вниз.

Масло легко поднимается в вертикальных трубопроводах, как всасывания, так и нагнетания, если скорость пара в них превышает 5м/с. Если диаметр вертикальной трубы больше 2 дюймов или если температура кипения ниже -10⁰С, минимальная скорость пара для подъема во всасывающих вертикальных трубопроводах должна быть не менее 8…9м/с.

Кроме того, чтобы сохранить в разумных пределах потери давления и уровень шума, скорость пара в трубопроводах не должна превышать 20м/с.

Влияние разности уровней на возврат масла

Если высота конденсатора над компрессором превышает 3 метра (рис. 4.48), количество масла, которое может скопиться в конденсаторе становится значительным. При этом, движение масла при каждой остановке компрессора прекращается, а масло, находящееся в вертикальных участках, под действием силы тяжести стекает вниз, создавая опасность его накопления в нагнетающей полости головки блока. Дополнительно к этому, из-за того, что окружающая температура ниже температуры нагнетания, то при остановке компрессора может сконденсироваться значительное количество находящихся в магистрали нагнетания паров хладагента, и образовавшаяся жидкость также может стечь в полость нагнетания головки блока компрессора. Скопление там жидкого хладагента и масла создает опасность того, что при очередном запуске компрессора произойдет сильный гидроудар.

Точно такая же проблема возникает, если испаритель расположен ниже компрессора, поскольку при остановках последнего, масло находящееся в восходящем трубопроводе стекает в нижнюю часть (рис.4.49). Как и в случае нагнетающего трубопровода, количество накапливающегося внизу масла становится значительным, если высота Н трубопровода превышает 3 метра.

Ситуация может еще больше ухудшиться, если в застойную зону в нижней части восходящего трубопровода будет стекать масло, выходящее из испарителя.

При запуске компрессора образовавшаяся в застойной зоне масляная пробка может попасть во всасывающую полость головки блока и спровоцировать возникновение сильного гидроудара.

Во избежание подобных гидроударов в тех случаях, когда разность уровней превышает 3 метра, необходимо в нижней части каждой восходящей трубы устанавливать маслоподъемную петлю, а горизонтальные участки прокладывать с наклоном в направлении движения потока.

На выходе из испарителя может возникнуть еще одна проблема, если жидкость, находящаяся в застойной зоне, представляет собой смесь масла с хладагентом. В момент запуска резкое падение давления во всасывающей магистрали вызывает вскипание хладагента, растворенного в масле, что приводит к заметному снижению температуры в зоне крепления термобаллона. Тогда в момент запуска может произойти резкое закрытие ТРВ, хотя в этот период необходимо полное его открытие. В этом случае происходит отключение компрессора предохранительным реле НД.

Чтобы избежать таких проблем рекомендуется внизу любой восходящей магистрали всасывания, высота которой превышает 3 метра, устанавливать жидкостную ловушку (маслоподъемную петлю), а на участке размещения термобаллона соблюдать уклон в направлении движения потока.

Как уже указывалось, что для обеспечения подъема масла по вертикальным участкам трубопроводов, скорость пара в них должна быть выше 5м/с.

Однако, если разность уровней превышает 7,5м (высота Н, рис.4.50), то на магистралях всасывания и нагнетания масляная пленка разрушается и от-

рывается от стенок, падая вниз под действием силы тяжести, даже если скорость пара выше 5м/с.

При большой разности уровней количество масла, стекающее вниз при каждой остановке, может оказаться настолько значительным, что полностью зальет маслоподъемную петлю, расположенную в нижней части восходящей трубы.

На восходящем трубопроводе нагнетания наплыв масла при остановке компрессора создает опасность возврата масла в нагнетающую полость головки блока, если маслоподъемная петля окажется переполненной (рис. 4.51). Попадание масла в полость головки блока при очередном запуске компрессора может вызвать гидроудар, причем, если существует опасность конденсации хладагента внутри трубопровода во время остановки компрессора, ситуация еще более ухудшается.

В восходящих трубопроводах всасывания, имеющих большую высоту, значительное количество масла, скапливающееся в маслоподъемной петле при остановке компрессора, во время очередного запуска может быть засосано в компрессор в виде масляной пробки и тоже привести к возникновению сильного гидроудара.

Во избежание перечисленных неприятностей, способных спровоцировать серьезные механические повреждения компрессора, в том случае, когда разность уровней очень большая, маслоподъемные петли необходимо устанавливать не более, чем через каждые 7,5 метров восходящих трубопроводов как на всасывающей, так и на нагнетающей магистралях (рис. 4.52). Такая конструкция позволяет маслу при работе установки подниматься от петли к петле и исключает возможность возврата масла из верхней маслопоподъемной петли в нижнюю.

Во время остановки в каждой маслопоподъемной петле масло накапливается в разумных пределах, не переполняя ее.

Разность уровней более 30м не рекомендуется, так как потери давления в трубопроводах такой высоты с 4-мя последовательно установленными маслоподъемными петлями становится совершенно неприемлемыми.

Следует отметить, что установка маслоотделителя в нагнетающем трубопроводе компрессора полностью не решает проблему возврата масла. Поэтому даже при установке маслоотделителя все равно необходимо обеспечивать возврат масла в компрессор с помощью описанных выше требований к подбору и прокладке трубопроводов.

4.8.5. Проблема установок с переменной холодопроизводительностью

Эта проблема относится к установкам, в которых в процессе эксплуатации расход хладагента может меняться, например, когда имеется несколько параллельно работающих компрессоров, или когда может меняться число оборотов компрессора, или если регулирование производительности осуществляется за счет исключения из работы отдельных цилиндров путем воздействия на всасывающие клапаны. Когда установка имеет несколько ступеней производительности, обуславливающих изменение расхода, диаметр трубопроводов, в которых хладагент циркулирует снизу вверх, должен подбираться таким образом, чтобы обеспечить минимальную скорость пара не ниже 5м/с при наименьшем расходе хладагента.

Когда установка будет работать при максимальной холодопроизводительности необходимо обеспечивать следующие условия:

• полные потери давления в трубопроводах не должны превышать значений, соответствующих эквивалентному перепаду температуры на

1 град;

• скорость пара не должна превышать 20 м/с, так как это создает опасность возникновения в трубопроводах очень сильного шума.

Если диаметр трубопровода, выбранный исходя из условия обеспечения минимальной скорости пара не ниже 5м/с при наименьшей мощности, становится слишком малым и приводит к значительным потерям давления при работе на полной мощности, то тогда возникает необходимость использования сдвоенных трубопроводов для того, чтобы обеспечить бесперебойный подъем масла при любых условиях работы и при любом расходе хладагента (рис.4.53).

При монтаже сдвоенных трубопроводов диаметр малой трубы выбирается из условия обеспечения в ней скорости выше 5м/с для минимального расхода хладагента. Диаметр большой трубы выбирается таким образом, чтобы в обеих трубах скорость пара была выше 5м/с (но ниже 20м/с) при работе установки на полной мощности.

При пониженной мощности скорость пара в обеих трубах настолько мала, что масло не может подниматься и накапливаться в маслоподъемной петле вплоть до полного перекрытия большой трубы. С этого момента пар начинает проходить через малую трубу со скоростью достаточной для нормального подъема масла. Обратная петля в верхней части трубопровода (поз.1) предотвращает проход масла, поднявшегося по малой трубе, в большую трубу.

Когда мощность установки возрастет, повышение расхода хладагента протолкнет масло, собравшееся в нижней петле, и пар вновь начнет циркулировать по обеим трубам.

Следует помнить, что емкость маслоподъемной петли должна быть как можно меньше, чтобы избежать прохождения больших масляных пробок в момент, когда петля опорожняется, особенно на всасывающей магистрали компрессора.

Кроме того, перед каждой остановкой компрессора необходимо каждый раз возвращать накопившееся в испарителе масло. При этом остановка компрессора должна производиться с использованием предварительного вакуумирования, т.е. перед каждой остановкой следует отвакуумировать испаритель и тем самым перегнать в компрессор максимальное количество масла и хладагента с растворенным в нем маслом.