7.3. Холодильные масла и их свойства.

В холодильных машинах применяют минеральные, полусинтетические и синтетические масла. Они используются для смазки и отвода теплоты трения от движущихся деталей компрессора, для удаления продуктов износа, для уплотнения зазоров в винтовых и спиральных компрессорах.

Минеральные масла нефтяного происхождения, применяются для работы с CFC- и HСFC-хладагентами и в зависимости от фракционного состава подразделяются на нафтеновые, парафиновые и нафтенопарафиновые. Масла на основе нафтенов оставляют асфальтосодержащий остаток, который эластичен и быстро удаляется, содержат меньше воска, при высоких температурах разлагаясь, образуют легкий уголь.. Нафтеновые масла характеризуются наиболее низкими для минеральных масел температурами застывания. Они лучше, чем на основе парафинов.. В парафиновых маслах высокая температура приводит к разложению масла с образованием углеродистого остатка, который является плотным и клейким, вызывая трудноудалимые загрязнения участков.

Полусинтетические масла состоят из смесей алкилбензольных и минеральных масел.

Синтетические масла – это алкилбензольные (AB), полиолэфирные (РОЕ), полиалкилгликольные (PAG) и др. масла.

Алкилбензольные масла (AB) используются в холодильной промышленности более 25 лет с хладагентами групп ГХФУ (HCFC, например, R22) и ГФУ (HFC) и обладают высокой термической стабильностью

Полиолэфирные компрессорные масла POE являются семейством синтетических смазочных продуктов, которые производятся путем обогащения спирта органической кислотой, в результате чего образуется одна молекула

Процесс производства включает в себя реакцию смеси органических кислот с одним или несколькими спиртами до получения необходимого полиэфирного высокомолекулярного спирта. Реакция происходит при повышенной температуре. Существует большое разнообразие типов и сортов полиэфиров. Полиолэфирные масла (РОЕ) рекомендуются, в частности, для стационарных установок с хладагентами ГФУ R134a, R404A, R407C, R410A и др. Масла POE имеют полярную молекулярную структуру, которая притягивает полярные молекулы воды, в результате чего они обладают высокой гигроскопичностью.

Полиалкилгликольные масла (PAG) широко используются в аммиачных холодильных установках и установках с CO₂.

Эксплуатационные характеристики синтетических масел лучше, чем минеральных, в частности, лучше смазывающие качества, выше термическая стабильность и стабильность свойств смеси масла с хладагентами, ниже температура застывания. Синтетическое масло не дает нерастворимого осадка в процессе эксплуатации холодильного оборудования, что обеспечивает чистоту внутренних поверхностей Основные недостатки их по сравнению с минеральными маслами – относительно высокая стоимость, значительная гигроскопичность и возможная несовместимость по отношению к отдельным видам уплотнительных материалов.

 В зависимости от типа и характеристик хладагента выбирается соответствующая марка масла, от правильного выбора которого в первую очередь зависит долговременная и надежная работа компрессора. Оно должно быть достаточно вязким при любой температуре, чтобы смазывать движущиеся детали компрессоров и уплотнять зазоры в винтовых и спиральных компрессорах, не подгорать при ее высоких значениях.

При взаимодействии холодильных масел с хладагентами всегда образуется маслохладоновый раствор, который в действительности и является рабочим веществом в холодильной установке, а также смазкой компрессора. Термодинамические характеристики образовавшейся смеси отличаются в худшую сторону от свойств хладагента, заправляемого в холодильную систему, что необходимо учитывать при эксплуатации. Очень важно, чтобы образовавшаяся маслохладоновая смесь значительно не ухудшала энергетические характеристики цикла холодильных машин. Маслохладоновая смесь, циркулирующая в системе вместо чистого хладагента, должна обладать стабильностью и обеспечивать надежный возврат масла в компрессор. Масло должно легко отделяться от хладагента и не содержать влагу.

Основная часть масла находится в картере компрессора, меньшая, в зависимости от условий эксплуатации – может «залегать» в испарителях, остальная в составе маслохладоновой смеси циркулирует по всей системе. Оно должно быть жидким при низких температурах, чтобы не скапливаться в испарителях и сохранять стабильные характеристики во всем диапазоне рабочих температур при взаимодействии со всеми элементами холодильной установки.

Выбор холодильного масла должен опираться на его показатели, среди которых важнейшими для эксплуатации являются:

Вязкость - характеризует способность жидкостей создавать сопротивление между движущимися по отношению друг к другу слоями текучих (не твердых) тел. От вязкости в значительной степени зависит смазывающая способность вещества. Существует несколько единиц измерения вязкости. Согласно классификации международного стандарта ISO 3448 (International Organization for Standardization) в качестве характеристики вязкости принято среднее значение кинематической вязкости при 40 ⁰C в мм²/с (сСт). Допустимое отклонение вязкости от номинальной 10%. Наиболее широко используются масла в диапазоне вязкости от 30 до 220 мм²/с.  

 Масла со средней и высокой вязкостью по ISO 46, 68, 100, 150, 220 применяются для роторных (центробежных, винтовых или спиральных) компрессоров, когда смазка, кроме основного назначения, препятствует утечкам хладагента через зазоры. Они слабо растворяются в хладагенте, благодаря чему снижается «вымывание» масла и улучшается смазывание компрессора. Масла с вязкостью по ISO 68 также используются для сверхнизких температур (-50^оС и ниже). К отрицательным свойствам высокой вязкости относится ухудшение растворимости в хладагентах, что затрудняет циркуляцию масла в системе и возврат в компрессор.

Масла с низкой и средней вязкостью по ISO 22, 32, 46 и 68 применяются для поршневых компрессоров в зависимости от их технического состояния, которые хорошо смешиваются с хладагентом и обеспечивают стабильный его возврат в картер компрессора. Однако с повышением температуры вязкость масла уменьшается, происходит значительный унос масла в систему, его разрушение, появляется нагар и отложение кокса на седлах клапанов компрессора, цвет масла становится более темный.

Индекс вязкости VI (Viscosity Index). – относительная величина, характеризующая зависимость вязкости масла от температуры.

VI = (L– ν)х100/(L– H), где

L – кинематическая вязкость стандартного масла с VI =0 при температуре 37,8 ºС (100 ⁰F);

ν – кинематическая вязкость исследуемого масла при температуре 37,8 ºС;

Н – кинематическая вязкость стандартного масла с VI =100 при температуре 37,8 ºС.

Чем выше индекс вязкости, тем меньше вязкость масла зависит от температуры и тем оно лучше. Синтетические масла обладают более высоким индексом вязкости в сравнении с минеральными и более высокой температурой вспышки (более 240С).

Температура вспышки масла (flashpoint). Это минимальное значение температуры масла, при которой вспыхивают выделяющиеся масляные пары при поднесении открытого огня. Этот параметр показывает присутствие в масле легкокипящих фракций, поэтому по величине температуры вспышки масла можно судить о его испаряемости во время эксплуатации и склонности к выбросу из компрессора.

Вспениваемость – образование пены в картере холодильного компрессора – весьма важная эксплуатационная характеристика масла. В одном случае она проявляется после длительной остановки холодильной установки, когда масло в картере компрессора насыщается хладагентом. При очередном пуске давление в картере компрессора резко падает, и хладагент интенсивно испаряется из смеси (вскипание смеси). Вторая причина связана с возвратом в картер компрессора жидкой маслохладоновой смеси и также интенсивным ее вскипании. И, наконец, пена может образовываться под действием вращающихся деталей механизмов. Пена разрушает масляную пленку между деталями компрессора, ускоряет окисление масла, приводит к выбросам масла из картера компрессора и может привести к срыву подачи масляного насоса со всеми вытекающими последствиями. Вспенивание может произойти и в дроссельном устройстве. Вспениваемость зависит от химического состава масла, вязкости, поверхностного натяжения, наличия присадок, условий эксплуатации, степени его смешения с хладагентом и др. Моющие, вязкостные, противоизносные, антикоррозионные присадки усиливают вспениваемость масел. Склонность к пенообразованию значительно увеличивается при наличии в масле воды. Вспениваемость масел уменьшают путем введения в их состав противопенных присадок (в основном силиконовых жидкостей).

По стандарту ASTM D 892 вспениваемость определяется двумя показателями – склонностью к пенообразованию (foaming tendency) и стабильностью пены (foam stability). На процесс пенообразования влияют свойства смешения, и растворения маслохладоновой смеси. Под смешением понимается образование однородной среды из масла и жидкого хладагента. Растворимость- это насыщение масла парообразным хладагентом. Смешение зависит от природы хладагента, типа масла, его температуры и вязкости, а растворимость, кроме перечисленных факторов, еще и от давления (закон Генри). Знание степени смешения масла с хладагентом позволяет оценить, хорошо или плохо масло будет возвращаться в компрессор, насколько стабильна и надежна будет его смазка. Для каждых групп хладагентов существуют свои, наиболее оптимальные масла. Так, полиолэфирные масла хорошо согласуются с синтетическими многокомпонентными хладагентами. Синтетические масла класса PAG применимы в аммиачных системах и в системах с диоксидом углерода, а также для углеводородных холодильных машин. Они стабильны по вязкости, обеспечивают хорошую текучесть в области отрицательных температур и надежный возврат масла в компрессор.

Критическая температура маслохладоновой смеси CST (Critical Solution Temperature) и диаграмма растворимости маслохладоновой смеси как раз и оценивают возможности смешения масла и хладагента (рис. 7.5.).

Рис. 7.5 . Диаграмма растворимости маслохладоновой смеси.

Диаграмма растворимости отражает процентное содержание хладагента и масла в маслохладоновой смеси при заданной температуре. Точка CST соответствует минимальной температуре, при которой происходит полное смешение масла и хладагента в любых количествах. То же свойство присуще смесям выше этой температуры (зона А). Через точку CST проходит кривая растворимости маслохладоновой смеси. Ниже точки CST и левее кривой растворимости расположена зона В однородной среды из жидкого хладагента с маслом в пропорции, соответствующей процентному содержанию компонентов, определяемых по оси абсцисс для данной температуры. Справа кривой растворимости маслохладоновой смеси и ниже точки CST находится зона масла с различным процентным содержанием растворенного в нем парообразного хладагента (зона С), которые можно определить по оси абсцисс, задаваясь конкретной температурой.

Внутри кривой растворимости этой диаграммы (зона D) состояние маслохладоновой смеси неустойчиво, она стремится к разделению на слои «богатые» (зона С) и «бедные» (зона В) маслом. Вне зоны несмесимости (зона D) маслохладоновая смесь гомогенна и ее поведение соответствует системам с неограниченной растворимостью.

В случае, когда масло не смешивается с хладагентом, а находится в состоянии дисперсии, температура застывания масла определяет начало фазового перехода масла из жидкого состояния в твёрдое и является важнейшей величиной при выборе такого типа масла . Необходимо, чтобы она была ниже температуры кипения хладагента . Если температура в системе достаточно низкая, диспергированное в хладагенте масло застывает и теряет подвижность, не течет. Это может вызвать нарушение работы ТРВ, циркуляции масла в системе, смазки компрессора и понизить интенсивность теплообмена в теплообменных аппаратах. У минеральных масел начало застывания всегда зависит от избыточного количества свободного парафина, который кристаллизуется первым и осаждается на холодных поверхностях, в дросселях. Температура застывания синтетических масел ниже –50С.

Рекомендации: при разделении смеси на две жидкие фазы унос масла к низкотемпературному участку системы может быть уменьшен установкой маслоотделителя. Использование электрических подогревателей картера компрессора способствует повышению давления паров смеси до давления холодильного агента в других частях системы, также уменьшая унос хладагента в систему. Кроме того, электроподогреватель может повысить температуру смеси и предотвратить ее разделение на жидкостные фазы.

Оценка порога применимости масла производится с помощью температуры хлопьеобразования, которая указывает нижний предел, при котором образуются хлопья, забивающие дроссельные устройства и всю систему. Температура хлопьеобразования – растворяемость воска, содержащегося в минеральных типах маслах. Чтобы избежать этого явления следует применять масла с низкой температурой хлопьеобразования. В отличие от минеральных масел в полиольэфирных маслах (ПОЭ) не содержится воска.

Смазочные масла могут быть несовместимыми. Минеральные масла не смешиваются с синтетическими. Несовместимыми могут быть и синтетические масла между собой даже в пределах одной марки, но разных фирм-производителей из-за различных видов добавленных присадок. Присадки составляют до 20% от количества базового масла и при смешении могут образовывать желеподобные составы с потерей смазывающих свойств.

Содержание воды и гигроскопичность масла. Гигроскопичность масла особенно важна для синтетических масел и характеризуется относительной величиной предельной растворимости воды (концентрацией) при определенной температуре. Она выражается в мг/кг или ppm (1 ррм = 1part per million). Вода является катализатором коррозии и химических реакций, происходящих в маслах, хладагентах. Даже следовые концентрации воды в масле повышают скорость коррозии более чем в 20 раз. Начинается разложение хладагента, наблюдается появление соляной, фтористой, бромистой и органических кислот. Синтетические масла очень гигроскопичны, их показатели значительно выше, чем у минеральных. Предельное насыщение влагой в синтетическом масле ХФ22с-16 достигает 1200 ррм при 25С, хотя в минеральном масле ХФ12-16 только 110 ррм, т.е. в 10 раз меньше. За первый час концентрация влаги в открытой емкости с синтетическим маслом PAG может возрасти с 50 ррм, - предельном значении содержания влаги при эксплуатации, до 700 ррм, т.е. до значения, эксплуатация при котором становится вообще недопустимой. Поэтому для хранения синтетического масла лучше использовать небольшие металлические емкости и расходовать его из вскрытой емкости как можно скорее. При перерыве в заправке горловину емкости необходимо герметично закрыть и использовать ее , по крайней мере, в течении суток.

Химическая стабильность. К химической стабильности масел против окисления предъявляют жесткие требования. Особое внимание уделяют сухости системы, поскольку влага даже в незначительных количествах может быстро изменить химическое качество масла в худшую сторону. Еще одной из причин возникновения химической нестабильности масла является присутствие в холодильном контуре остатков кислорода. Он может появиться из-за недостаточного вакуумирования системы перед заправкой хладагентом. В результате окисления масло меняет цвет от бледно-желтого до коричневого или даже черного. Экспериментально доказано, что вероятность сгорания обмоток электродвигателя возрастает с повышением кислотности масла.

Кислотным числом TAN (Total Acid Number) называют количество щелочи в миллиграммах (как правило, гидроокиси калия КОН), необходимое для нейтрализации кислот, содержащихся в одном грамме масла. Это число зависит от общего количества кислотных продуктов, содержащихся в масле. Оно меняется в зависимости от типа масла, срока и условий его эксплуатации. Для высококачественных холодильных масел кислотное число не превышает 0,03…0,05 КОН на 1 г масла. В общем случае высокое значение кислотного числа указывает на перегрев или окисление масла. Присутствие кислот в масле может также служить признаком разложения хладагента. Появившиеся кислоты в масле прежде всего опасны воздействием на обмотку электродвигателей герметичных и полугерметичных компрессоров с выводом их из строя. При высоком кислотном числе может возникать «омеднение» некоторых металлических поверхностей, например, в подшипниках, которые в результате быстро выходят из строя.

Цвет. Цвет масла определяется в марках NPA по шкале Освальда или в марках ЦНТ по ГОСТ 20284-74. Цвет масла в сравнении с эталонной шкалой является визуальным показателем его состава и степени очистки от смолистых веществ. Все используемые в холодильных машинах масла должны быть прозрачными. Минеральные и углеводородные масла с повышенным содержанием ароматических углеводородов и смол значительно темнее синтетических. Высококачественные «светлые» масла с содержанием смол не более 0,3 % имеют светло-желтый цвет и не более 1,5 марок по шкале Освальда или марок по ГОСТ 20284—74. При работе холодильной машины масла постепенно темнеют вследствие окисления. Изменение цвета масла является объективным показателем пригодности его к дальнейшей эксплуатации. Черный цвет масла, как правило, свидетельствует о перегорании обмотки электродвигателя.

Кроме рассмотренных показателей при выборе масла учитывается его не токсичность, не агрессивность по отношению к конструкционным, уплотнительным и электроизоляционным материалам . Важную роль при выборе холодильного масла играет также его стоимость.

Универсальных холодильных масел, удовлетворяющих всем перечисленным требованиям, на практике не существует. Предпочтение отдается холодильному маслу, которое хорошо смешивается с конкретным хладагентом при прочих равных условиях.

Среди синтетических холодильных масел для хлорнесодержащих хладагентов R134a, R404A, R507, R407C, R410A и др. широкое распространение получили холодильные масла фирмы TOTALFINAELF марки “PLANETELF ACD”, масла “EMKARATE” фирмы UNIQEMA , масла серии BITZER BSE, холодильные масла Suniso SL, Mobil EAL Arctic. Практика показывает их хорошую совместимость с уплотняющими материалами, используемыми в холодильной промышленности. Как правило, производители компрессоров указывают типы масел, которые следует применять при их эксплуатации. Ниже приводятся физико-химические свойства масел BITZER.

Таблица 7.5 . Физико-химические свойства холодильных масел BITZER серии: BSE 32, BSE 55, BSE 170

	Ед. изм.	Стандарт	BSE32	BSE55	BSE170
Плотность при 15 0C	кг/м3	ASTM D1298	1005	1010	974
Температура вспышки	0C	DIN ISO 2592	250	284	275
Цвет		DIN ISO 2049	1,0	0,5	0,5
Вязкость при 400C	мм2/сек	ASTM D 445	33,5	52,5	170
Вязкость при 1000C	мм2/сек	ASTM D 445	6,2	8,7	17,2
Индекс вязкости		DIN ISO 2909	136	143	108
Температура текучести	0C	DIN ISO 3016	- 54	- 51	- 30
Общее кислотное число	мг КОН/г	DIN 51558	0,02	0,02	0,02