безмасляные холодильные системы

В современных холодильных системах неизбежно присутствие масла для смазки движущихся частей компрессора. А это, как известно, отрицательно влияет на характеристики системы.

В статье показаны преимущества безмасляных холодильных систем на R744 по сравнению с традиционными в различных отраслях применения: в коммерческом холоде, на транспорте, в охлаждении морской воды на судах и в промышленных тепловых насосах. Как правило, капитальные расходы снижаются благодаря гораздо более простой конфигурации системы.

Расходы на протяжении всего жизненного цикла безмасляной системы ниже, чем у обычных, благодаря снижению потребности в сервисном профилактическом обслуживании и улучшенным характеристикам системы, что повышает её энергоэффективность.

Разработка герметичного безмасляного компрессора – это часть проекта CREATIV.

В традиционных парокомпрессорных холодильных и теплонасосных систем присутствие масла неизбежно, т.к. необходима смазка трущихся частей, особенно в компрессоре. Однако известно, что масло оказывает отрицательное влияние на характеристики системы. В типичной системе холодоснабжения или кондиционирования воздуха некоторое количество  масла мигрирует из компрессора по трубопроводам в испаритель, конденсатор, расширительные устройства и т.д. Масло плохо влияет на систему из-за значительного ухудшения теплопередачи в теплообменниках. Кроме того, необходимо дорогая комплексная система возврата масла в компрессор.

Преимущества безмасляной холодильной системы

Улучшение теплопередачи

Основным аргументом для устранения масла из холодильной системы является его отрицательное влияние на термодинамические свойства хладагента. Исследования выявили , что смазочное масло сложным образом влияет на процесс кипения ГФУ-хладагентов. В литературе нет однозначного взгляда на эту проблему. Однако общее мнение склоняется к тому, что оно ухудшает теплопередающие свойства при кипении и конденсации. При использовании природных хладагентов (особенно R744 и СО2) масло значительно ухудшает теплообмен в процессе как кипения, так и охлаждения СО2 в транскритическом цикле. Даже при массовой концентрации масла 0.5% (СО2/PAG) коэффициент теплоотдачи при кипении падает приблизительно в 2 раза по сравнению с чистым СО2. Дальнейшее повышение содержание масла до 5% снижает коэффициент теплоотдачи не так заметно.

Если наличие масла ухудшает теплоотдачу, то значит, в безмасляных холодильных системах можно использовать меньшие теплообменники для той же холодопроизводительности, что и в системах со смазкой, или добиться улучшения характеристик системы из-за меньших разности температуры и падения давления в теплообменнике.

Преимущества безмасляных холодильных систем для различных областей применения благодаря улучшению теплообмена.

*снижается необходимая разность температур между обменивающимися теплом средами, что ведёт к повышению температуры кипения при той же холодопроизводительности

*улучшается общая эффективность систему, а эксплуатационные расходы (потребление электроэнергии) падают, что позитивно сказывается на LCC (стоимости оборудования за весь жизненный цикл)

*уменьшается период намораживания инея со стороны воздуха на испарителе в результате повышения температуры кипения

*можно создавать компактные и высокоэффективные теплообменники для ограниченного пространства (в транспортных или судовых холодильных установках)

*улучшается регулируемость температуры кипения, что особенно важно для сектора перевозки продуктов, где требуется малое отклонение температуры от номинала в охлаждаемом пространстве.

Упрощение холодильной системы

Миграция масла, его задержка в системе и невозврат в компрессор ухудшают характеристики и надёжность (срок службы) компрессора. Поэтому необходимо предусматривать систему возврата масла, конструкция и комплектация которой зависит как от конструкции холодильной установки и используемого хладагента, так и от растворимости масла в хладагенте. Кроме лишних затрат и усложнения холодильной установки масляная система требует зачастую уменьшения диаметров трубопроводов для преодоления напряжения сдвига при поступлении масла в вертикальные трубы, что ведёт к большому падению давления и уменьшению эффективности системы. Отсутствие системы возврата масла значительно упрощает и удешевляет холодильную систему. Так, в бустерной системе на R744 для торгового холода особенно дорогим компонентом является маслоотделитель после компрессоров высокого давления.

Преимущество безмасляных холодильных систем при отсутствии возврата масла

*уменьшаются первоначальные затраты из-за гораздо более простой архитектуры холодильной установки

*уменьшается комплектация, что сокращает отказы и соответственно нерабочии периоды системы, которые крайне нежелательны, т.к. ведут к порче дорогостоящих продуктов в охлаждаемом пространстве

*снижается LCC из-за значительного упрощения обслуживания безмасляной холодильной системы (не требуется контроль масляной системы)

Увеличение максимальной температуры нагнетания

Во многих случаях (особенно в аммиачных холодильных установках) присутствие масла лимитирует температуру нагнетания компрессора, т.к. некоторые смазочные масла разлагаются при 100…2000С (для природных хладагентов) или при 120…1400С (для HFC – хладагентов). Это значит, что применение безмасляного компрессора позволяет увеличить степень сжатия в компрессорных ступенях.

Максимальная рабочая температура для различных типов смазочных масел в системах, работающих на природных хладагентах (Fuchs, EuropeschmierstoffeGmbH, 2010), приведены ниже.

Тип маслаМаксимальная рабочая температура, 0С
PAG (полиалкиленгликоль)160…180
POE (полиалэфир)200
PAO (полиальфаолефин)180
алкилбензол120…140
Минеральное масло100…120

 

Преимущество безмасляных холодильных систем при возможном повышении температуры нагнетания

*упрощается архитектура холодильной установки, т.к. растёт рабочая температура в одной ступени или уменьшается число необходимых компрессорных ступеней для нерасчётных режимов

*при повышенных температурах наружного воздуха иногда приемлемы температуры нагнетания выше 2000С при соответствующей адаптации конструкции

Снижение максимальной температуры кипения

Отсутствие масла открывает новые возможности использования холодильных установок при рабочих температурах ниже -400С. Применение безмасляных компрессоров позволяет получить ультранизкие температуры.

Преимущества безмасляных холодильных систем благодаря снижению температуры кипения

*возможно низкотемпературное охлаждение без применения дополнительного оборудования, т.е. прямое использование систем на СО2

*открывается перспектива производства твёрдого СО2 как аккумулятора холода

Потенциальные компрессорные технологии

Основные задачи подачи масла в холодильной системе – смазка движущихся частей компрессора и уменьшение утечек. В некоторых случаях, например в винтовых компрессорах, смазочное масло так же отводит тепло сжатия из компрессора.

Поскольку компрессор – это тот компонент, который использует масло в стандартной холодильной установке, он так же будет и компонентом, нуждающимся в наибольшем внимании при создании безмасляной холодильной системы.

Главные объекты внимания при конструировании безмасляного холодильного компрессора таковы:

*материалы / покрытия

Для «сухого» компрессора нужны материалы и покрытия, допускающие относительное движение деталей и поверхностные нагрузки без дополнительной смазки (например, графит и тефлон). Однако, если требуется длительный срок службы компрессора, работа «всухую» невозможна

*утечки

Между движущимися частями компрессора должны быть зазоры и допуски. Это ведёт к образованию обратного потока газа и утечек, т.е. к снижению объёмного коэффициента. Это особенно проблематично для систем с большой разностью давления (например. На СО2)

*подшипники

Возможно использование трёх основных категорий подшипников (без смазки): подшипники качения, магнитные подшипники и подшипники скольжения с газовой смазкой (газовые подшипники).

*уплотнение вала

Для компрессоров открытого типа нужно уплотнение , которое обеспечит минимальные утечки как при работе, так и во время остановки.

В рамках проекта CREATIV были выделены три типа потенциальных безмасляных компрессоров для СО2: винтовой, поршневой и центробежный. По каждому из них имеются концептуальные решения. Безмасляные центробежные компрессоры широко используются главным образом для низких отношений давлений. Некоторые применяются в холодильных циклах, однако, главным образом, для больших систем.

Была поставлена задача – разработать двухступенчатый радиальный центробежный компрессор с электродвигателем мощностью порядка 100кВт. При выборе компрессора основным фактором был необходимый ряд холодопроизводительностей; в некоторых областях применения он мог бы быть успешно использован и его разработка укладывалась бы в имеющийся бюджет.

Конструкция безмасляного центробежного компрессора для R744

Двухступенчатый герметичный компрессор мощностью 100 кВт на R744 можно спроектировать очень компактным. Принцип его конструкции: электродвигатель находится в центре внутри корпуса компрессора.

Наружный диаметр колеса менее 80 мм, общая длина двух ступеней менее 90 мм. Использованы газовые подшипники (лепестковые газодинамические), так что масло для их смазки не требуется, они должны охлаждаться потоком СО2

В 2011 году был изготовлен опытный образец компрессора. Пилотная система с этим компрессором будет установлена в лаборатории SINTEF/NTNU.

Компрессор спроектирован на давление всасывания 30 бар и максимальную степень сжатия. Производительность компрессора регулируется изменением частоты вращения вала (от 40950 до 50000 об/мин). Характеристика компрессора представлена ниже (давление всасывания 30 бар). Ожидаемый общий КПД компрессора в расчётной точке составляет порядка 60%. Поэтому он может служить базовым экспериментальным образцом для потенциального применения в коммерческом холоде, кондиционировании, охлаждаемом транспорте, судовой холодильной технике и теплонасосных установках.

Внедрение герметичных безмасляных компрессоров значительно увеличит эффективность, снизит стоимость и упростит конфигурацию холодильных установок для указанных выше областей применения.

Такие положительные свойства СО2, как сравнительно высокий коэффициент теплоотдачи , не будет снижаться в присутствии масла, благодаря чему можно будет применять для холодильных систем с новым центробежным компрессором высокоэффективные и компактные теплообменники.

Должны быть определены новые температурные пределы в условиях, когда смазка уже не ограничивает максимальную температуру нагнетания в компрессоре. Конструкция компрессора должна быть адаптирована к условиям применения, будь то ультранизкие температуры или повышенные температуры наружного воздуха.

 

Добавить комментарий