ANALYSIS OF REASON OF DAMAGE REFRIGERATION COMPRESSORS

Transkrypt

1 Przemysław TYCZEWSKI 1 olej, czynnik chłodniczy, spręŝarka ANALIZA PRZYCZYN USZKODZEŃ SPRĘśAREK CHŁODNICZYCH Środki transportu przeznaczone do przewozu artykułów spoŝywczych szybko psujących się, wymagających odpowiedniej temperatury przewozu powinny być wyposaŝone w agregaty chłodnicze. Najistotniejszym elementem w agregatach jest spręŝarka. Na podstawie literatury dokonano analizy wpływu róŝnych czynników na przyczyny awarii spręŝarek chłodniczych. ANALYSIS OF REASON OF DAMAGE REFRIGERATION COMPRESSORS Means of transport used for the carriage of perishable foodstuffs, requiring proper transport temperatures should be equipped with refrigeration units. The most important element in the aggregates is the compressor. The literature analyzes the impact of various factors on the cause of the failure of refrigeration compressors. 1. WSTĘP Działanie spręŝarkowego układu chłodniczego polega na zassaniu przez spręŝarkę par czynnika chłodniczego opuszczających parownik. SpręŜenie par powoduje zwiększenie ich ciśnienia i temperatury. Pary kierowane są do odolejacza gdzie następuje oddzielenie oleju od par czynnika chłodniczego, a następnie pary przechodzą do skraplacza, w którym na skutek chłodzenia powietrzem lub wodą następuje skroplenie przy stałym ciśnieniu i temperaturze. Skroplony czynnik przepływa do zaworu dławiącego. Zawór powoduje rozpręŝenie czynnika chłodniczego dopływającego do parownika. W parowniku na skutek odebrania ciepła od chłodzonego ośrodka następuje odparowanie przy stałym ciśnieniu i temperaturze. W układach chłodniczych najczęściej stosuje się spręŝarki hermetyczne. Zasysany gaz dostaje się do spręŝarki przez króciec ssawny umieszczony w dolnej części obudowy. Opływając silnik elektryczny dodatkowo powoduje jego chłodzenie. W większości krople oleju zostają oddzielone od zasysanego gazu i spływają do miski olejowej. Po przejściu przez silnik czynnik chłodniczy trafia na mechaniczne elementy powodujące jego spręŝenie. SpręŜone pary czynnika są wytłaczane przez króciec tłoczny. Praca układu chłodniczego polega na cyrkulacji czynnika chłodniczego pomiędzy elementami obiegu. Na skutek róŝnych ciśnień i temperatur czynnik w układzie jest w róŝnej fazie. Czynnik przemieszcza się teŝ z róŝnymi prędkościami. W rzeczywistych 1 Politechnika Poznańska, Instytut Maszyn Roboczych i Pojazdów Samochodowych, ul. Piotrowo 3, Poznań, przemyslaw.tyczewski@put.poznan.pl

2 2872 Przemysław TYCZEWSKI układach chłodniczych olej jest porywany przez czynnik i krąŝy w obiegu. Dla zapewnienia prawidłowej pracy spręŝarki niezbędne jest właściwe smarowanie części węzłów ruchowych. Z przeglądu literatury wynika, iŝ elementy ślizgowe spręŝarek chłodniczych naraŝone są na róŝnego rodzaju procesy zuŝycia w zaleŝności od stosowanych olejów i czynników chłodniczych w spręŝarkach [1, 2]. W obecnym czasie nie ma uniwersalnego oleju do spręŝarek chłodniczych. Z związku z zaostrzeniem przepisów o ochronie warstwy ozonowej pojawiają się nowe czynniki, które wraz z olejami tworzą mieszaniny mogące powodować zuŝywanie się elementów spręŝarki. Olejom stosowanym w układach chłodniczych oprócz podstawowych wymagań właściwości smarnych zapewniających tworzenie się filmu olejowego na elementach trących, stawia się szereg innych wymagań. Podstawowym problemem jest zastosowanie oleju odpornego na krzepnięcie w niskich temperaturach występujących w parowniku, aby olej mógł powrócić do spręŝarki. Dodatkowo olej powinien się mieszać i być kompatybilnym z czynnikami chłodniczymi przy czym nie powinien wchodzić z nimi w w reakcję chemiczną. Olej powinien teŝ posiadać niską higroskopijność na skutek moŝliwości wystąpienia wody w układzie [3]. W instalacji chłodniczej układ olej czynnik chłodniczy cechuje się złoŝonymi zaleŝnościami. W przypadku przekroczenia wzajemnej mieszalności część czynnika jest zaabsorbowana przez olej. W zaleŝności od składu mieszaniny i temperatury, mieszanina oleju z czynnikiem moŝe mieć charakter jednofazowy lub dwufazowy. ZłoŜone zaleŝności w przypadku mieszaniny olej czynnik chłodniczy powodują, iŝ właściwości smarne i przeciwzuŝyciowe są duŝo gorsze niŝ oleju czystego. Poprawiając nieodpowiednie właściwości wprowadza się do olejów dodatki przeciwzuŝyciowe, przeciwzatarciowe. Ze względu na moŝliwość rozcieńczanie oleju czynnikiem chłodniczym stosuje się oleje o zwiększonej lepkości. Z względu na złoŝoność problemów obecnie nie ma ustalonych uniwersalnych norm dotyczących wymagań olejów stosowanych w spręŝarkach chłodniczych w zakresie właściwości tribologicznych. 2. PRZYCZYNY USZKODZEŃ SPRĘśAREK Przyczyny występowania awarii spręŝarek wiąŝą się z róŝnymi warunkami pracy poszczególnych części. SpręŜarka tłokowa ma kilka węzłów ruchowych, które wykonują ruch posuwisto zwrotny i ruch obrotowy. Powierzchnie ślizgowe to: czopy wału korbowego, pokrywa łoŝyska korbowodu, powierzchnia tłoka, powierzchnia cylindra. Najczęściej ulegającymi zuŝyciu bądź uszkodzeniu są: zawory, łoŝyska, powierzchnie wału korbowego, tłoki, powierzchnie cylindrów. Prowadzone statystyki pozwoliły na określenie procentowego udziału uszkodzeń poszczególnych części i zespołów spręŝarek tłokowych. Na rysunku 1 przedstawiono udział uszkodzeń poszczególnych części i zespołów. Z analizy literatury wynika, iŝ przeszło 70% uszkodzonych części spręŝarek mogło być naraŝone na oddziaływanie mieszaniny olej czynnik chłodniczy.

3 ANALIZA PRZYCZYN USZKODZEŃ SPRĘśAREK CHŁODNICZYCH % 4% 12% 3% 3% 8% 2% 20% 38% zawory łoŝyska tłoki i cylindry pieścienie tłokowe pompy olejowe wały korbowe tłoki i korbowody połączenia śrubowe pozostałe uszkodzenia Rys. 1. Udział uszkodzeń poszczególnych części i zespołów spręŝarek tłokowych [4] Analizując uszkodzenia chłodniczych agregatów samochodowych moŝna wysunąć podobne wnioski. Naczepowe agregaty chłodnicze wyposaŝone są w sterowniki, sygnalizujące alarmy o awarii agregatu. Z zebranych informacji z serwisu samochodowych agregatów chłodniczych moŝna szacować, iŝ awarie zasygnalizowane za pomocą kodów serwisowych sugerujących o usterce spręŝarki stanowią około 10% wszystkich kodów. NaleŜy mieć na uwadze, iŝ wystąpienie kodu alarmowego moŝe być wywołane błędem. Rzeczywiste awarie agregatów chłodniczych związane z uszkodzeniem spręŝarki wynoszą około 15% awarii zarejestrowanych przez serwisy. Dla zapewnienia długiej Ŝywotności agregaty chłodnicze wymagają okresowej kontroli oraz przeglądów. Kontrole zapobiegają powstawaniu uszkodzeń, które z kolei mogą prowadzić do powaŝnych awarii. Częstotliwość przeglądu jest zazwyczaj z góry ustalona przez producenta. Wykonywane są one w regularnych odstępach czasu. W przypadku firm produkujących samochodowe agregaty chłodnicze częstotliwość przeprowadzanych przeglądów głównie zaleŝy od liczby motogodzin agregatu zamontowanego na pojeździe. Rejestratory instalowane razem z urządzeniami chłodniczymi umoŝliwiają zapis długości pracy agregatu. Według wykazu czynności przeglądowych, zalecanych przez jednego z producentów agregatów, kontrola poziomu oleju spręŝarkowego i jego jakości powinna odbywać się po pierwszych 1500 motogodzinach a następnie co 4500 motogodzinach lub corocznie [5]. Przyczynami mechanicznymi uszkodzeń spręŝarek jest brak oleju, niewłaściwe smarowanie (nieodpowiedni olej, tworzenie się mieszaniny ciekłego czynnika z olejem, nieodpowiednie właściwości oleju) oraz uderzenia cieczowe. Brak oleju prowadzi do szybkiego zatarcia się spręŝarki. Utrata oleju w spręŝarce moŝe wiązać się z brakiem powrotu oleju z instalacji lub z powrotem oleju w niewystarczającej ilości. Olej powinien powracać z instalacji szybko i w odpowiedniej ilości. Czynnik chłodniczy jest nośnikiem oleju w instalacji. Jego utrata moŝe wiązać się równieŝ z brakiem powrotu oleju do spręŝarki. Poprzez zastosowanie czujnika niskiego ciśnienia spręŝarka nie włączy się w trakcie postoju lub wyłączy się w trakcie pracy. Jednak przy ciśnieniu oleju powyŝej ciśnienia krytycznego ustawionego na czujniku niskiego ciśnienia.

4 2874 Przemysław TYCZEWSKI Zwiększone ciśnienie tłoczenia spowodowane nadmiarem czynnika moŝe równieŝ doprowadzić do uszkodzenia spręŝarki. Uszkodzenia w wyniku utraty oleju mogą być spowodowane nieodpowiednim odszranianiem, za małą ilością czynnika lub częstymi uruchomieniami. Brak oleju moŝe charakteryzować się duŝym hałasem oraz wibracjami. Jedną z głównych przyczyn uszkodzenia spręŝarki jest zalewanie ciekłym czynnikiem. Przyczyny zalewania ciekłym czynnikiem to [6]: małe obciąŝenie cieplne (zaszroniony parownik), nieprawidłowa ilość czynnika chłodniczego (nadmierna ilość lub napełnienie niewłaściwym czynnikiem), nieprawidłowe działanie zaworu rozpręŝnego lub nieodpowiedni zawór, nagła zmiana obciąŝenia. W czasie postoju następuje migracja czynnika chłodniczego do oleju na skutek róŝnicy ciśnień pary oleju i czynnika. Podczas postoju olej w karterze jest rozcieńczony duŝą ilością ciekłego czynnika chłodniczego. Olej wraz z czynnikiem jest cięŝszy od czystego oleju, dlatego znajduje się na dole karteru. Do czystego oleju znajdującego się u góry karteru migruje czynnik chłodniczy. Nierównomierne zuŝycie powierzchni moŝe być skutkiem utraty oleju lub zalania ciekłym czynnikiem podczas postoju. Zbyt niskie ciśnienie oleju moŝe być spowodowane zuŝyciem powierzchni ślizgowych. Start zalanej spręŝarki moŝna zauwaŝyć za pomocą wzburzonej piany we wzierniku. Niewłaściwa praca instalacji chłodniczej powoduje, iŝ spręŝarka zasysa wraz z parami ciekły czynnik. Taka sytuacja moŝe wystąpić, jeśli jest zbyt małe przegrzanie par czynnika w parowniku. Mała ilość ciekłego czynnika na skutek zmniejszenia prędkości przepływu, moŝe zostać odseparowana w kanale ssącym i spłynąć na dno spręŝarki powodując rozcieńczanie oleju. Pompa olejowa pompuje olej wraz z czynnikiem do łoŝysk, gdzie na skutek tarcia wzrasta temperatura, która doprowadza do odparowania czynnika i pozostawienia niewystarczającej ilości oleju. W momencie wyłączenia spręŝarki moŝe nastąpić nagły spadek ciśnienia powodując gwałtowne parowanie czynnika, który wydzielając się z oleju utworzy mieszaninę w formie piany. W przypadku przedostania się piany na elementy ruchowe następuje zmywanie oleju. Zalewanie czynnikiem chłodniczym ma miejsce podczas zasysania cieczy przewodem ssawnym do spręŝarki w trakcie pracy. Zasysana para czynnika chłodniczego dostaje się przez kanał ssawny do zaworu ssawnego. Na skutek zmniejszenia prędkości oraz kierunku przepływu mała ilość ciekłego czynnika zostaje oddzielona w komorze ssawnej i spływa do karteru spręŝarki wraz z powracającym olejem. Ciekły czynnik rozcieńcza olej w karterze pogarszając jego własności smarne. Większa część mokrych par moŝe dostać się do cylindra powodując zmywanie oleju z jego powierzchni i z tłoków w czasie pracy. Poprzez nieodpowiednie smarowanie moŝe nastąpić przedwczesne zuŝycie a nawet zatarcie. W zawiązku z brakiem moŝliwości odparowania duŝych ilości czynnika następuje uderzenie cieczowe na elementy spręŝarki. Skutkiem uderzenia cieczowego jest głośna oraz ewentualne wygięcie korbowodu, jak równieŝ zmiany kształtu lub pęknięcie płytki zaworowej [6]. Mieszanina oleju z duŝą ilością czynnika chłodniczego przejmuje ciepło z powierzchni ślizgowych. Na skutek wzrostu ciepła czynnik odparowuje, a zatem nie ma odpowiedniej

5 ANALIZA PRZYCZYN USZKODZEŃ SPRĘśAREK CHŁODNICZYCH 2875 ilości mieszaniny zdolnej do smarowania elementów ruchowych. Skutkiem moŝe być nierównomierne zuŝycie czopów wału korbowego, panewek lub łoŝysk ślizgowych. 3. PODSUMOWANIE W spręŝarce powinno być wystarczająca ilość jak i odpowiednia jakość oleju, który powinien smarować wszystkie powierzchnie ruchowe spręŝarki. Olej nie moŝe być zbytnio rozcieńczony czynnikiem oraz nie moŝe być zniszczony przez przegrzanie spręŝarki. Zaostrzenie przepisów dotyczących ochrony warstwy ozonowej spowodowało pojawienie się nowych czynników, które wraz z olejami tworzą nowe mieszaniny. W celu zbadania wpływu niekorzystnych warunków pracy instalacji chłodniczej na zuŝycie tribologiczne elementów ruchowych spręŝarki wykonano koncepcje stanowiska badawczego składającego się z rzeczywistych spręŝarek chłodniczych. Planuje się równieŝ wykonanie stanowiska do badań modelowych procesów zuŝyciowych zachodzących w spręŝarkach chłodniczych. Stanowisko będzie słuŝyło do badań tribologicznych w atmosferze czynników chłodniczych w warunkach obciąŝeń normalnych. Przewiduje się w końcowym etapie weryfikację badań na próbkach materiałowych przez porównanie zuŝycia obiektu rzeczywistego (spręŝarki). Takie ujęcie metodyczne powinno pozwolić na opracowanie wytycznych do normy europejskiej w zakresie badania właściwości tribologicznych olejów spręŝarkowych skojarzonych z czynnikami chłodniczymi 4. BIBLIOGRAFIA [1] Górny K., Tyczewski P., Zwierzycki W., Characteristics of stands for wear tests of materials for refrigeration compressors elements, Tribologia, 3/2010, s [2] Górny K., Tyczewski P., Zwierzycki W., Ocena wpływu mieszanin olejów spręŝarkowych i czynników chłodniczych na trwałość węzłów tarcia w spręŝarkach chłodniczych, Tribologia, 4/2010, s [3] Bonca, Butrymowicz D., Targański W., Flajduk T., Poradnik Nowe czynniki chłodnicze i nośniki ciepła. Własności cieplne, chemiczne i uŝytkowe. IPPU MASTA, Gdańsk 2004 [4] Paliwoda A: Uszkodzenia i awarie spręŝarek chłodniczych. Technika chłodnicza i klimatyzacja, 1999 nr 3. [5] [6] Technika Chłodnicza Dla Praktyków. Urządzenia chłodnicze i przepisy prawne, pod red. Bolesława Gazińskiego, SYSTHERM Poznań 2010.