В компрессоры многих холодильных установок при определенных режимах работы в той или иной степени попадает жидкий хладагент. В частности, в картерах работающих чиллеров и компрессорно-конденсаторных агрегатов систем кондиционирования воздуха доля растворенного жидкого хладагента бывает очень высока. Компрессоры разных типов и конструкций по-разному реагируют на «залив».
Спиральные компрессоры Copeland, по нашему опыту, обладают самой высокой степенью выживаемости в таких условиях. Нередко приходится видеть спиральный Copeland, в картере которого при работе находится вместо масла только жидкий хладагент; или компрессор, нагнетательная труба которого покрывается инеем, что свидетельствует о том, что компрессор прокачивает через себя огромное количество жидкости. При этом, как ни странно, во многих случаях компрессор в таких тяжелейших условиях уже работает несколько лет без поломки. Но есть режимы работы, при которых даже такой стойкий компрессор, как Copeland Scroll, выходит из строя:
Самый опасный режим эксплуатации спирального компрессора. Такая ситуация может создаваться при конденсации хладагента в картере, если компрессор становится по какой-либо причине самой холодной точкой системы и весь заправленный в установку хладагент перетекает в компрессор. Или при ошибке инженера-монтажника, производящего заправку и запуск холодильного агрегата, когда несколько баллонов заправили в установку при выключенном компрессоре «по жидкости», при этом компрессор был холодным и жидкость заполнила весь внутренний объем компрессора (в обоих этих случаях вероятность поломки спирального блока при включении компрессора очень высока). Витки нижней спирали в особо тяжелых случаях могут быть срезаны полностью. Или срезана втулка верхнего опорного подшипника (см. фото 1, 2).
Характеризуется постоянным во времени потоком капель жидкого хладагента на всасывании в компрессор. Такой поток постепенно вымывает масло не только из картера, но и смывает масляную пленку с поверхностей трущихся деталей. Компрессор не выйдет из строя сразу, как в описанном выше первом случае, но с течением времени происходит износ поверхности верхнего подшипника и возникает дисбаланс вращения вала (см. фото 3).
Фото 3. Износ верхнего подшипника вследствие недостатка смазки.
Полугерметичные поршневые компрессоры, как правило, при работе в условиях «залива» получают повреждения и выходят из строя быстрее, чем спиральные компрессоры Copeland. Но это не значит, что компрессор выйдет из строя сразу же после попадания на всасывание нескольких порций жидкого хладагента. Наш опыт показывает, что компрессоры Bock и DWM Copeland, электродвигатель которых охлаждается парами всасываемого хладагента, обладают значительной степенью «выносливости» при работе с постоянным, но неинтенсивным «заливом». Такой режим работы характеризуется, как правило, обмерзанием корпуса электродвигателя и, в некоторых случаях, даже головок блока цилиндров. Но эксплуатация компрессора в этих условиях приводит, в конечном итоге, к поломке всасывающих клапанов (см. фото 4). Как правило, повреждения получают не только всасывающие клапаны, которые можно заменить, но осколками разрушенных клапанов разбиваются поршни (см. фото 5), стенки цилиндров и, в самых тяжелых случаях, осколки разбитого клапана попадают в полость электродвигателя и повреждают изоляцию, приводя к замыканию и сгоранию статора (см. фото 6). Инженер сервисной организации, производящей ремонт холодильной установки, видит, что сгорел электродвигатель, и пытается найти проблемы по электрической части, а на самом деле, виноваты осколки клапанов, к разрушению которых привел залив компрессора жидким хладагентом. Это еще один аргумент в пользу внимательной диагностики вышедшего из строя компрессора перед установкой в систему нового.
К тяжелым последствиям для поршневого полугерметичного компрессора может привести конденсация при стоянке в картере большого количества жидкого хладагента. Конструкторы как Bock, так и Copeland приняли все возможные меры, встраивая в картер каждого компрессора по два специальных обратных клапана, закрывающихся при пуске компрессора и пропускающих пары только через дозировочное отверстие, что позволяет снизить скорость падения давления в картере, и уменьшить интенсивность вскипания жидкости в картере. Но если в течение многих и многих циклов компрессор включается при залитом жидким хладагентом картере, то гидроудары, все равно возникающие при таком режиме работы, могут сломать лепесток обратного клапана (см. фото 7). Обломок клапана, в свою очередь, может повредить как шатунно-поршневую группу, так и изоляцию обмоток встроенного электродвигателя.
Фото 7. Пример поломки клапана сброса давления в картере вследствие постоянных гидроударов.
Влажный ход и гидроудар в холодильных компрессорах, защита от гидроудара.
ГУ представляет собой кратковременное, но резкое и сильное повышение давления в трубопроводе при внезапном торможении двигавшегося по нему потока жидкости. Как правило, это явление возникает при закрытии или открытии запорной арматуры. Безусловно, ГУ происходит в жидкостных трубах ХУ, так как в них может находиться ХА и в газообразном состоянии (например, при неплотном закрытии ТРВ), что дает возможность жидкости набрать скорость при открытии соленоидного клапана (СК), а затем резко затормозиться перед ТРВ или различными переходниками трубопровода. Гидроудары приводят к раскачиванию и разрыву жидкостных труб, отрыву арматуры, нарушению паянных швов и утечке ХА.
Сообщения о таких ГУ отрывочны и скудны: в «Руководстве для монтажников Данфосс» имеется небольшая информация о том, что СК, устанавливаемый перед ТРВ, должен находиться как можно ближе к нему, что позволяет избежать ГУ при открытии СК. Если ГУ происходит при закрывании СК, то его можно скомпенсировать установкой вертикальной Т-образной трубки перед СК.
При проведении пуско-наладочных работ, возникли ГУ в холодильном контуре низкотемпературных бонет, что привело к частым поломкам трубопроводов и утечкам ХА. Для устранения причин ГУ были произведены изменения в гидравлической схеме подключения морозильного острова. ГУ происходил при открытии СК с завышенной производительностью. Кроме того, проблемы крылись и в неправильно подобранной слишком большой производительности ТРВ (клапанный узел). ГУ в контуре низкотемпературных бонет исчезли, после уменьшения проходного сечения СК и клапанных узлов, что в очередной раз демонстрирует необходимость подбора СК и ТРВ в соответствии с мощностью испарителей.
Последнее время участились ситуации, когда выходит из строя холодильный компрессор или кондиционерный по причине залива их хладагентом.
Этот термин, «залив», применяется тогда, когда некоторое количество хладагента в жидкой фазе попадает в картер компрессора и, как следствие, его проникновение в область сжатия. Не важно, какой механизм используется для процесса сжатия хладагента в компрессоре (какой компрессор применяется), поршень в цилиндре (поршневой компрессор), роторный, спиральный компрессор или винтовой (различные виды компрессоров), всё равно ни один из этих вариантов компрессии не в состоянии сжать несжимаемое.
В результате попадания в область сжатия компрессора несжимаемых или малосжимаемых субстанций многократно возрастают механические, температурные и токовые нагрузки на узлы и детали компрессоров: поршни, стенки цилиндров, роторные, спиральные и винтовые механизмы, клапанные устройства, узлы вращения приводов и электродвигатели.
«Внутрикомпрессорное» развитие таких перегрузочных ситуаций, зачастую, происходит лавинообразно и скоротечно, и внешние устройства защиты от перегрузок, которые испытывают холодильные агрегаты, не успевают среагировать.
Все защитные приспособления и устройства имеют вполне ограниченное быстродействие и срабатывают по интегральному (накопительному) принципу, что вполне логично с точки зрения производителей – их задача лишь «укрепить границы» коридора допустимых технических значений и параметров, в котором холодильный агрегат или компрессор смогут работать в номинально заявленном режиме.
Априори все компании, которые производят холодильное оборудование, считают, что компрессоры холодильных машин или компрессорно-конденсаторный агрегат подобраны или подбираются, учитывая требуемую холодопроизводительность холодильной машины, достаточную и необходимую для решения вполне конкретной холодильной или кондиционерной задачи. Возникновение нештатных ситуаций будет иметь случайный характер, если использование компрессора строго соответствует его прямому назначению. Когда работает холодильное устройство, могут измениться внешние температурные условия в агрегатном отделении, уровень загрузки охлаждаемого объема продукцией, отклонения значений напряжения в питающей сети и тому подобное – вот круг задач, которые требуют традиционные холодильные системы и устройства защиты.
Условия вероятности залива компрессора, как ни странно это прозвучит, легче создаются, где холодильная установка высокотемпературная, оперирующая большим удельным количеством хладагента в холодильных контурах, таких как кондиционеры и чиллеры.
Большое количество хладагента в системе означает наличие высокого давления хладагента в картере компрессора, в то время когда он отключается по датчику достигнутой температуры. Например: для хладагента R407С условия для полной конденсации возникают при давлении в системе всего лишь 6 бар и температуре +8⁰С. Если учесть хорошую растворимость хладагента в компрессорном масле и естественное физическое перетекание хладагента в «нижнюю точку» холодильного контура в состоянии покоя (хладагент тяжелее воздуха), процесс конденсации и накопления хладагента в жидкой фазе в картере компрессора начинается при более высоких уровнях температур.
Когда происходит запуск компрессора (старт, начало его работы), создаётся разрежение (пониженное давление) на входе компрессирующего устройства, а значит и в картере компрессора. При этом растворённый в компрессорном масле хладагент «вскипает», создавая масляную эмульсию. Избыточное количество масляной пены вместе с всасываемым хладагентом поступает в область сжатия. Накопление масла в цилиндре и невозможность сжатия этого продукта являются первопричиной гидроудара.
Если наличие гидроударов при старте компрессора не было выявлено своевременно и не были устранены способствующие этому причины в конструкции холодильной или кондиционерной машины (не проводилась безопасная эксплуатация холодильных установок), то даже надежный компрессор «планомерно» приступает к самоуничтожению, частичному или полному разрушению узлов и механизмов, участвующих в процессе сжатия хладагента.
При большом количестве хладагента в нижней части картера, смесь масла и хладагента становится насыщенной, в результате чего происходит разделение двух жидкостей. Всасывание в компрессоре может быть предусмотрено через корпус (поз.1)или головку блока (поз.2), но и в том и другом варианте накопление хладагента в картере происходит одинаково (рис. 28.10).
По своей структуре хладагент плотнее масла, поэтому его слой будет всегда находиться ниже. Так, при запуске компрессора, резкое снижение давления в картере будет приводить к вскипанию жидкого хладагента. Пузырьки, вызванные бурным кипением, проходят через слой масла, насыщаясь ним и захватывая за собой большое количество масляных капелек в виде суспензий (рис. 28.11).
Данное явление называют «вспениванием масла». За ним можно наблюдать через окошко указателя уровня масла. Насыщенные маслом пары хладагента, образованные в результате снижения давления в картере после запуска компрессора, проникают в головку блока, провоцируя сильный отток масла (иногда сильные гидроудары).
Когда жидкого хладагента в картере собирается слишком много, то отток масла становится настолько значительным, что при запуске компрессора указатель уровня масла показывает абсолютную пустоту.
Но негативное влияние хладагента в картере при остановках компрессора не ограничивается оттоком масла. Поскольку смазка поршневых компрессоров осуществляется за счет масла, то присутствие в нем жидкого хладагента усложняет ситуацию.
Масляной насос обеспечивает компрессор смазкой, для этого он собирает масло, которое проходит через масляный фильтр и насос, со дна картера и нагнетает его в смазочные канавки (рис. 28.12).
К чему приведет попадание жидкости на прием компрессора
Часто можно слышать жалобы о том, что в компрессорной системе появляется вода, что происходят протечки в компрессоре. Подобные неприятности встречаются часто, но это не означает, что на них можно не обращать внимание. При несвоевременном решении проблемы система подачи сжимаемого воздуха может оказаться под угрозой, что повлияет и на качество выпускаемой продукции.
Рассмотрим, по каким причинам в сжимаемом воздухе появляется вода, как ее нужно обработать для предотвращения неприятных последствий.
Причины, по которым протекает компрессорная система
Конденсация воды – вполне естественный процесс, побочный продукт сжимаемого воздуха. В атмосферном воздухе есть определенный объем водяного пара. В ходе сжимания концентрация воды повышается.
Есть много факторов, которые влияют на объем воды, формирующийся в воздушном компрессоре, – например:
показатели на входе;
качество окружающего воздуха в конкретной среде.
Таким образом, выступающая из устройства и, возможно, поступающая в трубопроводы сжимаемого воздуха вода определяется влажностью, температурой воздуха, габаритами компрессора и необходимым давлением. Если воздух нагретый и имеет высокую влажность, то влаги будет в нем больше, по сравнению с холодным воздухом. В результате объемы выходящей из компрессора воды больше.
Так, если мощность ротационного винтового воздушного компрессора составляет 55 кВт (75 л. с.), температура окружающего пространства – 24 °C, а показатель относительной влажности – 75%, то ежедневно компрессор будет производить 280 л воды.
Устранение воды в компрессорной системе продемонстрировано на изображении ниже.
Устранение воды из компрессорной системы.
Для отделения влаги применяются нижеперечисленные приборы:
адсорбционные либо рефрижераторные осушители;
Если компрессор функционирует с избыточным давлением 7 бар, то сжимание воздуха составляет до 7/8 от его объема. В результате возможности воздуха удерживать водяной пар тоже снижаются на 7/8. Объем выделяемой влаги существенный. Так, если мощность компрессора 100 кВт, а потребление воздуха происходит при температуре в 20 °C и показателе относительной влажности в 60%, то при длительности смены в 8 часов объем выделяемой воды составит 85 л. В связи с этим объем отделяемой воды зависит от сферы использования сжимаемого воздуха. Благодаря этому можно установить, какие конкретно осушители и охладители оптимальны для имеющейся системы.
Рассмотрим, какое влияние испытывают осушка и возможное содержание воды в системе сжимаемого воздуха от таких факторов, как габариты, расход компрессора, показатели влаги, температура окружающего воздуха, входная температура, давление, точка росы под давлением.
Факторы, воздействующие на выбор
1. Габариты, расход компрессора
Если для системы нужен увеличенный расход (куб. футов/мин или л/с), то в системе будут увеличенные показатели наличия воды.
2. Показатель влаги, температура окружающего воздуха
Если пространство, где функционирует компрессор, отличается повышенной температурой и влажностью воздуха, то в системе сжимаемого воздуха будет наблюдаться много воды.
3. Входная температура
Когда температура на входе в осушитель повышена, то в сжимаемом воздухе будет образовываться больше воды. Вследствие этого для обрабатывания воздуха и конденсации воды необходимо использовать крупный осушитель.
4. Давление
Влияние давления обратное, по сравнению с выше рассмотренными факторами.
Чем меньше давление, тем больше воды будет наблюдаться в сжимаемом воздухе, тем сложнее будет производиться его осушивание.
Чем слабее выжимать наполненную водой губку, тем больше в ней будет воды.
5. Точка росы под давлением
Это распространенный метод определить показатель содержания влаги в сжимаемом воздухе. Точка росы причисляется к показателю температуры, при котором газ или воздух насыщается влагой, после чего происходит конденсация. Другое объяснение – точка, в которой воздух теряет способность удерживать водяной пар.
Для того чтобы минимизировать объем влаги в сжимаемом воздухе, необходим пониженный уровень точки росы. Повышенные показатели причисляются к высокому объему водяного пара, находящегося в системе.
Для установления габаритов осушителя необходимо руководствоваться точкой росы под давлением и степенью конденсата в воздухе, подвергаемом сжиманию.
Отрицательные последствия для системы сжимаемого воздуха
Если в сжимаемом воздухе слишком много влаги, то состояние установки может быть ухудшено, а операции рискует стать менее эффективными. Наличие в сжимаемом воздухе необработанного конденсата вредит состоянию и работе:
пневматических систем и двигателей, клапанов;
машин и компонентов, которые подключены к системе.
Также есть риск того, что технологический процесс или итоговая продукция будут загрязнены.
Отрицательное влияние влаги приводит к следующим неприятным последствиям:
разрушение трубопроводов, оборудования (ЧПУ и иных производственных машин);
нанесение ущерба пневматическим элементам управления – это рискует повлечь за собой отключения, требующие существенных денежных расходов;
ржавчина, значительное изнашивание производственного оборудования вследствие недостатка смазки;
замерзание управляющих линий, нанесение им ущерба при низкой температуре окружающей среды;
потребность в допобслуживании воздушного компрессора;
минимизация эксплуатационного срока оборудования.
Также влага, имеющаяся в системе сжимаемого воздуха, разрушительно сказывается на состоянии:
заводского и инструментального воздуха;
Необходимо предпринять все требуемые усилия для того, чтобы сжимаемый воздух быть чистым и сухим вне зависимости от сферы использования или проводимого процесса. В противном случае придется проводить дорогостоящее техобслуживание, к тому же есть риск вероятной остановки производства.
Способы осушки сжимаемого воздуха
Для того чтобы выбрать наиболее подходящий способ осушки сжимаемого воздуха, необходимо принять в учет требования, соблюдение которых требуется для предотвращения проблем и неполадок в технологическом процессе, недопущения снижения качества продукции.
Начальный этап устранения влаги проводится внутри компрессора. Концевой охладитель или сепаратор влаги обладает возможностью устранить значительный объем испаренной влаги – до 60%.
Когда сжимаемый воздух выходит из концевого охладителя, он все еще насыщен влагой. Если последнюю не устранить, то есть повредить систему целиком.
Снизить объем воды, находящейся в сжимаемом воздухе, можно и через применение воздушного ресивера. Температура воздуха в резервуаре существенно меньше, по сравнению с нагретым сжимаемым воздухом, который выпускает воздушный компрессор. Во влажном резервуаре продолжится накопление излишка влаги. По этой причине резервуар необходимо сушить каждый день – это позволит предотвратить чрезмерный износ или коррозийные процессы.
Если есть необходимость дополнительно устранить влагу, нужно установить осушитель встроенного или внешнего типа. Есть 2 разновидности осушителей в соответствии с необходимой точки росы – с поглощением влаги или с охлаждением. Осушитель с охлажденным воздухом понижает температуру воздуха до 3 °C, что приводит к конденсации паров воды из сжимаемого воздуха при данной температуре. В случае если в рефрижераторном осушителе недостаточная точка росы, то потребуется применить осушитель с поглощением влаги – в этой ситуации точка россы снижается до минус 40 градусов Цельсия. Результат – полностью сухой воздух. Это особенно важно для окрашивания распылением, печати и иных сфер использования пневмоинструментов.
Таким образом, основной элемент системы обработки и подготовки сжатого воздуха – отводчики конденсата. Потраченные на очистительное оборудование и компрессоры средства могут оказаться бесполезными, если своевременно не устранять конденсат, который обязательно будет образовываться при их функционировании.
Помимо этого, важно правильно утилизировать конденсат после того, как процедура осушения воздуха подошла к концу. В составе конденсата есть мельчайшие частицы масла, размер которых делает их незаметными для глаз. Неграмотная утилизация конденсата приведет к ущербу для окружающей среды, а также к штрафам для компании. 1 л конденсата при ошибках в утилизации способен загрязнить 1 млн л чистой питьевой воды.
Априори все компании, которые производят холодильное оборудование, считают, что компрессоры холодильных машин или компрессорно-конденсаторный агрегат подобраны или подбираются, учитывая требуемую холодопроизводительность холодильной машины, достаточную и необходимую для решения вполне конкретной холодильной или кондиционерной задачи. Возникновение нештатных ситуаций будет иметь случайный характер, если использование компрессора строго соответствует его прямому назначению. Когда работает холодильное устройство, могут измениться внешние температурные условия в агрегатном отделении, уровень загрузки охлаждаемого объема продукцией, отклонения значений напряжения в питающей сети и тому подобное – вот круг задач, которые требуют традиционные холодильные системы и устройства защиты.
Когда происходит запуск компрессора (старт, начало его работы), создаётся разрежение (пониженное давление) на входе компрессирующего устройства, а значит и в картере компрессора. При этом растворённый в компрессорном масле хладагент «вскипает», создавая масляную эмульсию. Избыточное количество масляной пены вместе с всасываемым хладагентом поступает в область сжатия. Накопление масла в цилиндре и невозможность сжатия этого продукта являются первопричиной гидроудара.
