Смазка компрессоров на R-744

Интервью Жана-Ива Клере и Франсуа Перикат- Exxonmobil

Жан-Ив Клере, Инженер по смазочным материалам		Франсуа Перикат, Инженер Промышленных проектов Франция, Испания, Великобритания

Чем смазка компрессоров на  CO₂ отличается от смазки других компрессоров? Каковы основные проблемы? 

Ж.И.К./Ф.П. : R-744 с потенциалом разрушения озонового слоя (ODP*) 0 и потенциалом глобального потепления (GWP) 1 имеет ряд преимуществ, среди которых более высокая теплота парообразования, низкий удельный объем, нетоксичность и негорючесть. Однако его применение требует знаний и умений для решения множества технических проблем, среди которых высокая растворимость в смазочных материалах и очень высокая растворяющая способность CO₂ в форме жидкости и пара.

Какие типы смазок вы рекомендуете?

Ж.И.К./Ф.П. : При производстве холода путем компрессии используется хорошо известный принцип испарения, перехода хладагента из жидкого в газообразное состояние, в ходе которого поглощается значительное количество тепла, т.е. «производится холод». Этот принцип лежит в основе разнообразных промышленных установок с  CO₂ — каскадных систем, сухих и влажных испарителей, бустеров, установок с суб- и транскритическими режимами хладагента и т.д. Именно хладагент и конструкция установки определяют тип смазочного материала: там, где требуется идеальная смешиваемость с  CO₂ используются POE (полиолэфиры), в противном случае выбирают смазку на основе PAO (полиальфаолефинов) или PAG (полиалкиленгликолей), см. рис. 1.Эти три типа смазок — POE, PAO и PAG — используются с R-744. Поскольку масло играет огромную роль в правильной работе установки, важно понимать, как смазываются компрессоры каждого типа.

Не могли бы вы кратко объяснить принципы смазки компрессоров каждого типа?

Ж.И.К./Ф.П. : Существуют два типа компрессоров  CO₂ — поршневые и винтовые.

Общие требования, предъявляемые к смазке подшипников холодильных поршневых компрессоров сходны с требованиями для других компрессоров: в небольших агрегатах смазка кривошипно-шатунных механизмов и цилиндров выполняется разбрызгиванием, а в больших циркуляцию смазки обеспечивает масляный насос. Следует понимать, что независимо от назначения и смешиваемости или нет, элементы компрессора смазываются смесью масла и CO₂. Растворимость хладагента в масле зависит с одной стороны от свойств пары хладагент/смазка, а с другой — от давления: чем оно выше, тем выше растворимость, а чем выше растворимость, тем ниже вязкость. Это правило применимо к CO₂, POE, PAO и PAG.

Масляная пленка на стенках цилиндров поршневого холодильного компрессора подвергается низким температурам на всасывании (например, -42°C при давлении всасывания 9,3 бар абс.) и более высоким температурам на выпуске (50-75 °C в зависимости от режима эксплуатации).

Поскольку с повышением температуры вязкость снижается, она будет намного выше на всасывании, чем на выпуске. Здесь мы сталкиваемся с двумя противоположными эффектами: вязкость масла не должна быть слишком высокой, чтобы оно быстро распространялось, образуя тонкую пленку на всех смазываемых поверхностях, но она должна быть достаточно высокой, чтобы, несмотря на растворимость CO₂, смазка обеспечивала адекватную защиту от износа. Также, необходимо учитывать вынос масла хладагентом за пределы компрессора, и здесь смешиваемость будет иметь очень большое значение, о чем будет объяснено ниже.

В поршневом компрессоре CO₂, когда он остановлен, температура масла поддерживается при помощи электрического сопротивления в картере, чтобы облегчить удаление  CO₂ из масла и обеспечить его более высокую вязкость при возобновлении работы. Это позволяет избежать выделения газа и «сдувания» масляной пленки при запуске компрессора.

На масло в картере действует давление всасывания (низкое). Поэтому при оценке остаточной вязкости смазки с помощью кривых вязкости, давления и температуры, необходимо учитывать растворимость  CO₂ при температуре в картере и давлении всасывания. На практике минимальная вязкость для правильной смазки поршневого компрессора: 30 сантистоксов для коленчатого вала,7 сантистоксов для контактных зон стенок цилиндров и поршневых колец. Поэтому, чтобы получить минимальную вязкость, необходимую для хорошей смазки компонентов поршневого компрессора с учетом растворимости CO₂, требуется вязкость от 46 до 100 сантистоксов при 40°С.

А для винтовых компрессоров?

Ж.И.К./Ф.П. : Смазываемые, или «мокрые» винтовые компрессоры также используются в установках CO₂. В них масло смазывает подшипники и контактные поверхности винтовых валов с выпуклым и вогнутым профилями. Смазка обеспечивает уплотнение между винтовыми валами, охлаждение сжатых газов, а также гидравлическое регулирование. Важно отметить, что в винтовых компрессорах давление непрерывно растет вдоль всего профиля винтового вала. В результате растворимость  CO₂ в смазке максимальна при давлении и температуре на выходе компрессора, что приводит к значительному падению вязкости. Вязкость смазки для винтовых компрессоров должна быть выше, чем для поршневых компрессоров: обычно она составляет от 68 до 220 сантистоксов при 40°C, чтобы компенсировать падение вязкости.

Существуют ли проблемы, характерные для смазки обоих типов компрессоров?

Ж.И.К./Ф.П. : Да, существуют. Растворимость  CO₂ максимальна в масле на выходе из сепаратора. Целесообразно предусмотреть систему нагрева или очистки масла на выходе из сепаратора, чтобы максимально удалить растворенный в масле  CO₂ до того, как возвращать масло в картер компрессора под низким давлением. Если не удалять растворенный CO₂, выделение очень большого количества газа может вызвать сильное вспенивание масла и нарушение смазки. Это крайне негативно влияет на смазывающую способность масла. Кроме того, незначительное изменение давления или температуры на всасывании может вызвать образование тумана CO₂. Присутствие мельчайших капель жидкого  CO₂ может привести к смыванию масляной пленки, что очень вредно в зонах контакта поршневых колец и стенок цилиндров или подшипников и кривошипов. Испарение тумана также может приводить к «сдуванию» масляной пленки. Исчезновение масляной пленки и значительный контакт металл/металл, например, между поршневыми кольцами и стенками цилиндров, может привести к заклиниванию и поломке компрессора. Чтобы избежать конденсации CO₂, проектировщики и установщики рекомендуют перегрев на 10-15 °К (-263…-258 °C) для газообразного CO₂ на впуске в компрессор.

Рисунок 1: ориентировочная таблица смешиваемости смазок разных типов с CO₂

Достоинства и недостатки масел POE, PAO и PAG

POE: высокая чистота, химическая стабильность, устойчивость к тепловым нагрузкам и очень высоким температурам (+ 210°C), смешиваемость с CO₂, низкая летучесть. Недостаток:  гигроскопичность. Типичные применения для CO₂: со смешиваемостью.

PAO: устойчивость к гидролизу, высокая чистота, повышенная устойчивость к тепловым нагрузкам в диапазоне температур от -45 до +175 °C, очень низкая холодная вязкость, низкая летучесть, отличная защита от износа. Типичные применения для CO₂: без смешиваемости.

PAG: высокая чистота, отличная смазывающая способность, стойкость к нагреву и тепловым нагрузкам, способность выдерживать постоянную температуру до 210°C. Недостатки: большая гигроскопичность, чем у POE, несовместимость с некоторыми уплотнениями и красками, как правило, несовместимость с минеральными маслами и PAO ввиду несмешиваемости с ними. Типичные применения для  CO₂:   без смешиваемости.

ExxonMobil и Mobil являются зарегистрированными товарными знаками, принадлежащими Exxon Mobil Corporation или одной из ее дочерних компаний, включая Esso SAF продающей продукцию во Франции.

Esso SAF Акционерное общество с капиталом 98 667 521,70 евро, RCS Nanterre 542 010 053 5/6 Place de l’iris 92400 Courbevoie.