Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Компрессоры в технологических процессах. Смазочные материалы. Учебное пособие
.pdf
71
основе ПАО (свойства масел указаны в прил. Е, Ж). При повышенном
содержании серы в сжимаемом газе применяются марки масел со специальной присадкой, например, CPI-1508-68…150 и CPI-1516-68…150
(свойства масел указаны в прил. Ж).
3.3.3. М а с л а д л я в и н т о в ы х к о м п р е с с о р о в ,
с ж и м а ю щ и х и н е р т н ы е г а з ы
При сжатии инертных газов (неон, аргон, гелий, ксенон, криптон,
радон, азот) в винтовых компрессорных установках из-за отсутствия
окисления масла при соприкосновении с компримируемым газом, в том
числе из-за отсутствия кислорода, используются классические масла для
центробежных компрессоров Тп-22С, Тп-22Б, Кп-8С или их аналоги
(см. п. 3.1). Стоит отметить, что данное требование отсутствия окисления масла со сжимаемым газом относится именно к винтовым компрессорам из-за большего их контакта между собой по сравнению, например,
с центробежными компрессорами общего назначения.
3.3.4. М а с л а д л я х о л о д и л ь н ы х в и н т о в ы х
к о м п р е с с о р о в
При смазке холодильных винтовых компрессоров следует прини-
мать в расчет низкотемпературные характеристики масла и его совместимость с хладагентами [8]. Как и в газовых винтовых компрессорах, смазка
трущихся деталей холодильных компрессоров не вызывает затруднений.
Диапазон применения холодильных масел очень широк: от небольших холодильников и кондиционеров с постоянной загрузкой хладагента на весь
срок службы до холодильных промышленных агрегатов и судовых холодильных установок. Для безаварийной работы установок в течение длительного срока очень важен правильный выбор смазочного масла.
Смазочное масло попадает из камеры сжатия в систему циркуляции хладагента; отсюда его не удается полностью удалить даже с помощью масляного сепаратора, встроенного в линию. При испарении
хладагента масло охлаждается до температуры испарителя. При этом
72
оно должно сохранить текучесть, так как в противном случае невозможно возвратить масло из испарителя в компрессор. Так как холодильные компрессоры работают без доступа воздуха, окислительные
процессы в масле очень незначительны, однако термические нагрузки
весьма высоки. На крупных установках, работающих на аммиаке, температура при компримировании достигает 160 °С. На установках, где
используют маслорастворимые хладагенты, температуры на 20–30 °С
ниже, однако в малых аппаратах они также могут достигать 150–
160 °С. При применении масла с неудовлетворительными свойствами
термические нагрузки могут привести к образованию углеродистых отложений и, как следствие, к износу и выходу из строя секций компрессора. Отложения могут быть обусловлены и применением уплотняющих материалов, содержащих маслорастворимые компоненты.
Высокая температура в секции компримирования может вызвать испарение легких фракций холодильного масла в секцию испарения и повышение вязкости оставшегося масла. Но из-за лучшей текучести легких фракций установка может работать при более низких температурах испарителя, чем можно было бы рассчитывать, исходя из низкотемпературных свойств масла. Для работы всей установки в целом
это явление безвредно. Масла с относительно высокой вязкостью предпочтительно использовать в компрессорах, работающих на маслорастворимых хладагентах, так как за счет растворения хладагента в масле
вязкость последнего снижается, обеспечивая достаточные антифрикционные и противоизносные свойства. Очень важны низкотемпературные
свойства масел и их совместимость с хладагентами. Особое значение
имеет совместимость с галогеноуглеводородами (химическая стабильность при высокой температуре, растворимость на холоде). Вода отрицательно влияет на низкотемпературные свойства масла и может привести к реакциям с хладагентом, поэтому холодильные масла перед
применением или испытанием должны быть тщательно высушены.
Масла, применяемые в холодильных машинах, также разделяются на две основные группы – нефтяные и синтетические.
Наиболее распространены нефтяные масла нефтяного происхождения, которые в зависимости от фракционного состава делятся на
нафтеновые, парафиновые, нафтено-парафиновые.
Нафтеновые масла, состоящие преимущественно из нафтенов,
характеризуются наиболее низкими для нефтяных масел температурами застывания; парафиновые отличаются наиболее пологими вязкостно-температурными зависимостями; присутствие ароматических
углеводородов в маслах улучшает их противоизносные качества.
73
К синтетическим маслам относятся углеводородные синтезированные масла и синтетические жидкости различных классов: кремнийорганические, полиэфиры, полигликоли и др.
Синтетические масла по сравнению с нефтяными, как правило,
имеют лучшие антифрикционные и противоизносные свойства, более
высокую термическую стабильность и стабильность в смеси с холодильными агентами, более пологие вязкостно-температурные характеристики, более низкие температуры застывания, меньшую агрессивность к материалам.
К специфическим характеристикам масел для холодильных машин относятся характеристики, обусловленные условиями их использования при постоянном контакте с холодильными агентами: стабильность,
температура помутнения, растворимость с холодильными агентами.
Стабильность в смеси с холодильными агентами. Устойчи-
вость к химическим реакциям с холодильными агентами является основным требованием, предъявляемым к маслам для холодильных машин. При выборе масел стабильность в смеси с холодильными агентами проверяют ускоренными лабораторными методами. В международной практике приняты два основных метода ускоренных испытаний: метод Филиппа–Тиффани и метод Элси [17].
По первому методу проводят испытания в U-образной запаянной стеклянной трубке, в одном из колен которой находится холодильный агент при 40 °С, в другом – масло при 250 °С. Масло считается стабильным, если в течение 96 ч на горизонтальном участке трубки не появляется в виде капель соляная либо фтористая кислота.
По второму методу испытания проводят в стеклянной трубке, которую заполняют маслом и холодильным агентом вместе со стальными и
медными катализаторами и выдерживают 16 сут при 175 °С. Система считается стабильной, если после испытаний не происходит осмоления масла
и стальная пластина не покрывается слоем осажденной меди.
Распространенные холодильные агенты по степени отрицательного влияния на стабильность масел можно расположить в следующий
ряд: RC318, R115, R502, R13, R22, R23, R12, R13B1, R114, R500, R113,
R11, R12B1. Экспериментальные исследования стабильности нефтяных масел с различными агентами в течение 400 сут в присутствии ма-
лоуглеродистой стали показали, что смеси с R12 менее стабильны, чем
с R22, особенно при температурах выше 100 °С (рис. 3.2, 3.3).
Парафиновые масла стабильнее нафтеновых, некоторые фракции ароматических углеводородов ухудшают стабильность масла в
смеси с фторсодержащими холодильными агентами.
74
Наличие смол и серы активизирует процесс омеднения, поэтому
содержание их в холодильных маслах должно быть соответственно не
более 0,3 и 0,2 %.
Углеводородные синтетические масла и синтетические жидкости значительно устойчивее к химическим реакциям с холодильными
агентами. При прочих равных условиях стабильность смеси с холодильными агентами выше у масел с высокой термической стабильностью.
Рис. 3.2. Устойчивость R12 и R22 в смеси с маслами для холодильных
машин [17]: 1 – RI2 при 160 °С: 2 – R12 при 150 °С; 3 – R12
при 120 °С; 4 – R22 при 160 °С; 5 – R22 при 150 °С; 6 – R22 при 120 °С
Рис. 3.3. Количество соляной кислоты НСl, образовавшейся
при испытаниях смеси R12 с нефтяным маслом в присутствии стали
[17]
75
Масла, прошедшие лабораторные испытания, окончательно проверяются на стабильность в стендах и реальных машинах. Сравнительная оценка стабильности отечественных масел приведена в прил. Д.
Температура помутнения. Температура, при которой начинается кристаллизация парафинов, называется температурой выпадения
парафинов или температурой помутнения. Фреоны избирательно растворяют жидкие компоненты, а твердые парафины выпадают в осадок.
Температура помутнения для смеси масел с холодильными агентами
выше соответствующей температуры для чистых масел.
Количество нерастворимых веществ в смеси масло – R12 определяют по стандартам ФРГ и Великобритании при температурах –30 и
–40 °С и нормируют их величину. Считают, что содержание нерастворимых веществ не выше 0,05 % по массе обеспечивает работу машины
до температуры кипения –30 °С.
В работающей холодильной машине при циркуляции масла по системе нерастворимые вещества могут отлагаться в узких сечениях дросселирующих органов и забивать терморегулирующие вентили. Наибольшую
опасность это представляет для малых холодильных машин. Температура
помутнения холодильных масел в смеси с R12 является эксплуатационной
характеристикой и должна быть ниже температуры кипения в испарителе.
В целях ее понижения нефтяные масла подвергают депарафинизации.
Растворимость масел с холодильными агентами. Основное
противоречие при подборе масла для компрессорной холодильной машины заключается в том, что лучшие условия смазки и уплотнение
компрессоров достигаются при использовании масел с низкой растворимостью, в то время как нормальная циркуляция масла в системе обеспечивается в результате хорошей взаимной растворимости.
По характеру растворимости с маслами холодильные агенты
разделяются на нерастворимые (растворимостью можно пренебречь), с
ограниченной растворимостью и неограниченной растворимостью.
Для определения степени растворимости фторсодержащих холодильных агентов с нефтяными маслами предложен критерий
где n1, п2, пз, n4 – число атомов фтора, хлора, водорода и брома соответственно.
76
При K > 2/3 растворимость ограниченная во всем диапазоне температур, при К ≤ 2/3 – ограниченная в некотором диапазоне температур, при
К ≤ 1/2 растворимость неограниченная.
Типичным представителем холодильных агентов, нерастворимых в маслах, является аммиак. В аммиаке масла тонут, во фреонах
всплывают. Растворимость аммиака в нефтяном масле указана в
табл. 3.8. Растворимость масла МС20 в аммиаке приведена в табл. 3.9.
Холодильные агенты с неограниченной растворимостью образуют
с маслом однородные растворы в любой пропорции. Холодильные агенты
с ограниченной растворимостью смешиваются с маслами только в ограниченном интервале температур. При достижении критической температуры
раствор разделяется на два слоя (рис. 3.4). Кривая, отделяющая однород-
ный раствор от разделенного на два слоя, называется кривой расслоения.
Область, ограниченная этой кривой и осью абсцисс, соответствует двухслойной системе и называется зоной расслоения (несмешиваемости).
Таблица 3.8
Растворимость аммиака в нефтяном масле, %
Давление,
102 кПа
Температура, °С
0
20
40
65
100 1 0,246
0,18
0,13
0,105
0,072
2
0,5
0,36
0,278
0,198
0,144 3 0,8
0,54
0,417
0,304
0,228
10 – –
1,39
1,05
0,72
Таблица 3.9
Температура, °С
30
42
60
70
80
Растворимость масла
в жидком аммиаке, мг
масла на 1 г аммиака
0,0032
0,0052
0,011
0,018
0,028
Максимум кривой расслоения называется верхней критической
температурой растворения, минимум – нижней. Точки ξm и ξn на кривой
расслоения характеризуют составы равновесных слоев (рис. 3.4).
Массовая доля раствора gn с концентрацией ξn равна
Область вне кривой соответствует однородной системе. Прямые, соединяющие точки равновесных между собой слоев, называются
связующими прямыми или коннодами.
77
Рис. 3.4. Кривые расслоения
растворов холодильных агентов
с маслами: а) наиболее типичная
кривая расслоения раствора
холодильного агента с нефтяным
маслом: А – критическая точка
(температура); а – левая
пограничная ветвь; б – правая
ветвь; тп – коннода
(связывающая прямая);
с – область расслоения;
б) типы кривых расслоения:
К – критическая точка
растворения [17]
Рис. 3.5. Кривые расслоения
растворов отечественных
масел с холодильными
агентами: а – растворы
с R502, R13, R13B1:
1 – ХФ 22с-16-R502;
2 – ГТМТС-5-R13;
3 – ХФ 22-24-R13B1;
4 – ХФ 22С-16-R13B1;
б – растворы с R22; 1 – ХС 50;
2 – ХС 40; 3 – ХСН 40;
4 – ХМ 35; 5 – ХС 25; 6 – ХА
30; 7 – ХФ 12-16; 8 – ХФ 22-24
[17]
78
По виду кривые и области расслоения смесей разделяются на четыре типа (рис. 3.4). Для эксплуатации важное значение имеет не только
тип кривой расслоения, но также ее положение в координатах t–ξ.
Состав и вязкость нефтяных масел оказывает существенное
влияние на положение границ растворимости и критической точки области расслоения: области несмешиваемости сужаются (растворимость
улучшается) при уменьшении содержания нафтенов и парафинов и при
увеличении концентрации ароматических углеводородов; критическая
температура ниже у масел с высоким содержанием нафтенов и ароматических углеводородов и низкой молекулярной массой; растворимость масла тем хуже, чем выше вязкость и индекс вязкости масла.
Синтетические масла ведут себя иначе в отношении растворимости, чем нефтяные. Кривые расслоения растворов масел с холодильными агентами показаны на рис. 3.5.
Равновесные характеристики раствора (диаграммы равновесия
жидкость–пар, р–t–ξ) строят в основном на базе экспериментальных
данных. Добавление масла повышает температуру кипения холодильного агента при заданном давлении. Ниже приведено эмпирическое
уравнение, позволяющее рассчитывать давление пара над жидкой фазой раствора с нефтяными маслами:
где А и В – безразмерные коэффициенты, которые зависят от типа холодильного агента и его концентрации в растворе; температурная функция определяется по формуле
.
Растворимость холодильных агентов в масле возрастает с понижением температуры и увеличением давления. Растворимость холодильных агентов лучше в нафтеновых маслах. С повышением вязкости
масел растворимость ухудшается.
Действительные плотность и удельный объем смесей масел с
холодильными агентами отличаются от этих же характеристик, определенных аддитивным методом. При отсутствии экспериментальных данных удельный объем жидкой фазы раствора с нефтяным маслом рассчитывается по формуле
79
где – удельный объем жидкого холодильного агента при данной температуре; – поправка на изменение удельного объема для данной
температуры и концентрации.
Плотность нефтяного масла с растворенным холодильным аген-
том при концентрации последнего до 8 % можно получить по следующей упрощенной формуле
где
– плотность раствора при данной температуре; – плотность
масла; – плотность жидкого холодильного агента при данной температуре; – массовое содержание холодильного агента в растворе. При
концентрации холодильного агента в масле свыше 8 % плотность раствора определяется по формуле
где С – табличный поправочный коэффициент [17].
Вязкость растворов масел с холодильными агентами меньше
вязкости чистых масел, что определяется низкой вязкостью холодильных агентов. Расчеты вязкости растворов с нефтяными маслами, исходя
из свойств чистых компонентов, производят по формуле
где – вязкость чистого масла при заданной температуре; – вяз-
кость раствора при этой же температуре и заданной концентрации в
стандартной диаграмме. Величина а учитывает влияние свойств масла
и является расстоянием в сантиметрах по оси ординат в логарифмических координатах между вязкостно-температурными зависимостями
чистого масла и раствора:
80
Величина учитывает влияние свойств холодильного агента и описы-
вается полиномом
Значения , , для различных холодильных агентов приведены в
литературе [17]. Формула (3.9) применима для расчета вязкости растворов с нефтяными маслами до концентрации масла =0,75–0,95.
При более высоких концентрациях холодильного агента расчетные значения вязкости растворов по формуле (3.9) значительно отличаются от измеренных и определяются по уравнению:
Коэффициент В зависит от температуры; в интервале от 20 до 60 °С
действительно соотношение: .
Характер изменения вязкости растворов с синтетическими маслами несколько другой, приведенные формулы для них непригодны. Более точное определение вязкости растворов масел с холодильными агентами производится экспериментально на специальных вискозиметрах.
Изменение вязкости масла в полости винтового или в картере
поршневого компрессора подчиняется более сложной зависимости.
При заданном постоянном давлении в картере с понижением температуры содержание холодильного агента в масле увеличивается, что приводит к снижению вязкости. При повышении температуры содержание
холодильного агента в масле уменьшается, и вязкость раствора приближается к вязкости чистого масла. Поэтому дальнейшее повышение температуры приводит к уменьшению вязкости масла. Каждому давлению
в картере соответствует температура, при которой раствор имеет
наивысшую вязкость [17].
Растворенный в масле холодильный агент улучшает подвижность масла, что особенно важно при низких температурах. С увеличением концентрации холодильного агента температура текучести растворов понижается. Это позволяет использовать масла при температурах более низких, чем температура текучести чистого масла.
Диаграмма «энтальпия – концентрация» i–ξ растворов (диаграммы состояния) характеризуют зависимость термодинамических
характеристик смесей (растворов) масел с холодильными агентами от
состава смеси.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]