STANOWISKO DO BADANIA USZKODZEŃ SPRĘŻAREK CHŁODNICZYCH

Transkrypt

1 PROBLEMY EKSPLOATACJI 175 Przemysław TYCZEWSKI Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Poznań STANOWISKO DO BADANIA USZKODZEŃ SPRĘŻAREK CHŁODNICZYCH Słowa kluczowe Badania, sprężarka chłodnicza, zużycie. Streszcze Z uwagi na zmieniające się przepisy dotyczące stosowania substancji zubożających warstwę ozonową wprowadzane są nowe czynniki chłodnicze do urządzeń i instalacji chłodniczych. Elementy ruchowe sprężarek chłodniczych narażone są na procesy zużycia w zależności od mieszaniny oleju i nowego czynnika chłodniczego. W obecnym czasie ma uniwersalnego oleju do sprężarek chłodniczych. Postanowiono zbadać wpływ mieszaniny oleju i czynnika chłodniczego na zużywa się elementów sprężarki. W tym celu powstało stanowisko do badania procesów zużyciowych w sprężarkach chłodniczych. Stanowisko zostało zbudowane jako rzeczywisty układ chłodniczy. Elementy stanowiska zostały tak dobrane, aby zapewnić uniwersalność dla różnych czynników chłodniczych i różnych olejów. Na stanowisku można symulować różne korzystne warunki pracy. Najistotjszym elementem jest sprężarka chłodnicza znajdująca się w rozbieralnym korpusie. Rozkręcana obudowa zapewnia semihermetyczną pracę oraz umożliwia wymianę sprężarki w celu oceny stopnia zużycia jej elementów ruchowych.

2 176 PROBLEMY EKSPLOATACJI Wprowadze Elementy ruchowe sprężarek chłodniczych narażone są na różnego rodzaju procesy zużycia w zależności od olejów i czynników chłodniczych, z którymi pracują sprężarki [2, 5, 6, 7, 8]. W związku z zaostrzem przepisów dotyczących stosowania czynników chłodniczych pojawiają się nowe czynniki, które wraz z olejami tworzą mieszaniny [1, 3, 4]. Powstałe mieszaniny mogą powodować uszkodzenia mechaniczne sprężarek chłodniczych poprzez właściwe smarowa (odpowiedni olej, tworze się mieszaniny ciekłego czynnika z olejem, odpowied właściwości oleju), brak oleju (olej powrócił do sprężarki z instalacji) oraz uderze cieczowe [9]. W obecnym czasie ma uniwersalnego oleju do sprężarek chłodniczych. Olej należy dobierać dla odpowiedj sprężarki i czynnika chłodniczego. Z tego powodu postanowiono zbadać wpływ mieszanin na zużywa się elementów sprężarki. W tym celu zostało zbudowane stanowisko do badania procesów zużyciowych w sprężarkach chłodniczych. Stanowisko zostało zbudowane jako rzeczywisty układ chłodniczy składający się ze sprężarki, parownika, filtra, wzierników, elektronicznego zaworu rozprężnego, zaworu elektromagnetycznego i skraplacza. Za pomocą układu regulacji można sterować obrotami wentylatorów na parowniku i skraplaczu oraz wartością przegrzania i stopnia otwarcia zaworu rozprężnego (rys. 1a). Najistotjszym elementem stanowiska jest sprężarka chłodnicza znajdująca się w rozbieralnym korpusie. Rozkręcana obudowa zapewnia semihermetyczną pracę sprężarki oraz umożliwia wymianę sprężarki w celu oceny stopnia zużycia jej elementów ruchowych (rys. 1b). Przy korpusie sprężarki zamontowano wzierniki, za pomocą których jest sprawdzany poziom i stan oleju. Podczas normalnej pracy poziom oleju powin znajdować się pomiędzy stanem maksymalnym i minimalnym. Zbyt wysoki poziom może zaburzać pracę sprężarki i powodować wzrost przerzutu oleju do instalacji chłodniczej. Zbyt poziom może przyczynić się do złego smarowania i chłodzenia sprężarki, co może stać się przyczyną jej uszkodzenia [9]. 1. Stanowisko do badania procesów zużyciowych w sprężarkach chłodniczych Stanowisko zostało tak skonstruowane, aby na bazie rzeczywistego układu chłodniczego, wyposażonego w urządzenia chłodnicze, można było symulować różne korzystne warunki pracy instalacji. Schemat stanowiska pokazano na rys. 2.

3 PROBLEMY EKSPLOATACJI 177 a) b) Rys. 1. Stanowisko do badania procesów zużyciowych w sprężarkach chłodniczych: a) widok stanowiska, b) rozbieralny korpusu sprężarki hermetycznej T1 P1 SKR Z S F Z1 W Z2 T2 P2 PAR EEV EV Rys. 2. Schemat stanowiska badawczego: S sprężarka zamontowana w rozbieralnej obudowie; SKR skraplacz; PAR parownik; Z zbiornik czynnika chłodniczego; F odwadniacz; W wziernik; EVR zawór elektromagnetyczny; EEV elektroniczny zawór rozprężny, sterowany mikroprocesorowym sterownikiem EVD evlolution; Z1 zawór (praca gorąca); Z2 zawór (praca mokra); T1, T2 czujniki temperatury; P1, P2 czujniki ciśnia. Na stanowisku można przeprowadzić następujące badania: pracę sprężarki w wysokiej temperaturze i ciśniu, zalewa sprężarki ciekłym czynnikiem, doprowadze gorących gazów do sprężarki, pracę układu z powietrzem i wilgocią,

4 178 PROBLEMY EKSPLOATACJI pracę sprężarki w różnych ilościach oleju, pracę sprężarki przy braku oleju, pracę z różnymi czynnikami chłodniczymi, pracę z różnymi olejami. Praca sprężarki w wysokiej temperaturze i ciśniu. Niekorzystne warunki pracy sprężarki to praca na możliwie m ciśniu, praca na możliwym wysokim ciśniu oraz wysokie przegrza czynnika. Odpowiednio sterując obrotami wentylatorów, można uzyskać wysoką temperaturę tłoczenia, a więc wysoką, korzystną temperaturę, w której pracuje sprężarka. Niskie temperatury parowania i wysokie przegrza powoduje wzrost temperatury tłoczenia do ponad 100 C. Powyżej 140 C może nastąpić pogorsze właściwości oleju. Podczas próby przy ch zaworach Z1 i Z2 i odpowiednich nastawach układ będzie pracował na wysokich parametrach pracy. Wysoka temperatura tłoczenia może spowodować szybkie starze się oleju i spadek jego lepkości. Zalewa sprężarki ciekłym czynnikiem. W celu uzyskania na stanowisku sytuacji, w której do sprężarki na stronę ssawną dostaje się czynnik chłodniczy w formie ciekłej (praca mokra), należy otworzyć zawór Z2. Pojęcie praca mokra określa pracę sprężarki zasysającej parę nasyconą mokrą (o stopniu suchości x < 1). Jeżeli stopień suchości pary nasyconej mokrej jest niższy od określonej wartości krytycznej x k, cząstki cieczy zawarte w tych parach odparują podczas procesu ich sprężania w sprężarce i może dochodzić w j do tak zwanych uderzeń cieczowych. Przez zawór Z2 następuje przepływ czynnika w fazie ciekłej do sprężarki powodując, że na elementy ruchowe sprężarki działała mieszanina oleju i ciekłego czynnika. Doprowadze gorących gazów do sprężarki. Obniże własności smarnych oleju można uzyskać przez przegrza sprężarki (wysoka temperatura). Zaworem upustowym Z1 możemy regulować temperaturę pracy sprężarki. Doprowadze gorących gazów do sprężarki powoduje zwiększe temperatury pracy sprężarki. Praca układu z powietrzem i wilgocią. Podczas pracy układu w wysokim ciśniu w obecności powietrza może nastąpić spala oleju, co tworzy masę ścierną. Na elementach ślizgowych można wówczas zauważyć ślady wytarcia. W podwyższonym ciśniu i temperaturze przy obecności powietrza i wilgoci mogą powstawać kwasy rozpuszczające miedź z instalacji. W przypadku zakwaszenia cząsteczki miedzi mogą się osadzić na elementach trących sprężarki. Praca sprężarki przy braku oleju. Kolejna próba to praca przy braku oleju. Niewielką ilość oleju w sprężarce można zapewnić zlewając olej z obudowy za pomocą specjalnego króćca spustowego. Źle wykonana instalacja chłodnicza może powodować, że olej wraca do sprężarki lub wraca w wystarczającej ilości. Sprężarka pracująca z bardzo małą ilością oleju może zostać zatarta.

5 PROBLEMY EKSPLOATACJI 179 Praca sprężarki w różnych ilościach oleju. Zastosowany układ wzierników przy rozbieralnej hermetycznej obudowie sprężarki umożliwia kontrolę ilości oleju, w którym pracuje sprężarka. Przy obudowie umieszczono trzy wzierniki. W zależności od ilości oleju można wykonać badania przy m, normalnym i za wysokim sta oleju. Ilość oleju można regulować za pomocą króćca z zaworem zakończonym przewodem elastycznym. Praca z różnymi czynnikami chłodniczymi. Stanowisko badawcze zostało skonstruowane, aby mogło pracować z różnymi czynnikami chłodniczymi. Elektroniczny zawór rozprężny wraz z elektronicznym sterownikiem firmy Carel został specjal dobrany dla możliwości współpracy z różnymi czynnikami chłodniczymi. Zmianę pracy zaworu, zależną od zastosowania czynnika chłodniczego, wystarczy zmienić w sterowniku wybierając odpowiedni czynnik chłodniczy. Praca z różnymi olejami. Na stanowisku możliwe jest bada sprężarek pracujących w różnych olejach. Obowiązkowa wymiana w istjących instalacjach starych czynników na nowe, które najczęściej powinny pracować z olejami syntetycznymi, skutkuje możliwością pozostawienia wielkich ilości starego, najczęściej mineralnego oleju w instalacji. Zatem w instalacji może znajdować się mieszanina różnych olejów. W opisywanym stanowisku rówż istje możliwość stosowania mieszaniny olejów. Na stanowisku wykorzystano sprężarki Embraco Aspera NE9213GK. Według producenta, sprężarki mogą pracować z czynnikami chłodniczymi: R22, R134a, R404A, R507, R290, R600a (rys. 3) [11]. Rys. 3. Sprężarka tłokowa Embraco Aspera NE9213GK Hermetyczna sprężarka tłokowa ma kilka węzłów ruchowych. Powierzch ślizgowe to: czopy wału korbowego, pokrywa łożyska korbowodu, powierzchnia tłoka, powierzchnia cylindra (rys. 4, 5).

6 180 PROBLEMY EKSPLOATACJI Rys. 4. Korpus sprężarki. Powierzch ślizgowe ruchu obrotowego i ruchu posuwisto-zwrotnego Rys. 5. Elementy sprężarki. Pokrywa łożyska korbowodu, czop wału korbowego, korbowód wraz z tłokiem W przypadku sprężarek tłokowych istotnym parametrem pracy jest temperatura tłoczenia. Temperatura w przewodzie tłocznym sprężarki zależy od trzech wielkości: temperatury skraplania, temperatury parowania oraz przegrzania pary zasysanej do sprężarki. Wielkości te umow oznaczają wartości temperatur nasycenia odpowiadające ciśniom panującym w króćcu ssawnym i tłocznym sprężarki chłodniczej [9]. Każdemu zestawowi tych trzech wielkości odpowiada określona temperatura tłoczenia. Za wysoka oraz zbyt niska temperatura tłoczenia może świadczyć o prawidłowej pracy urządzenia [9]. Z tego powodu za pomocą termopar odczytywana jest temperatura ssania i tłoczenia przy korpusie sprężarki. Ciś ssania i tłoczenia odczytywane jest za pomocą przetworników ciśnia. Sygnały elektryczne zbierane są poprzez miernik HP34970A i zapisywane są w pamięci urządzenia. Dane uzyskane z miernika za pomocą programu HP BenchLink Data Loger przekazywane są do komputera w formie pliku typu csv. Analiza zmian parametrów pracy układu może świadczyć o powstającym zużyciu elementów sprężarki. Układ sterowania parametrami pracy stanowiska znajduje się nad parownikiem. Za pomocą pokręteł jest możliwość regulacji obrotów wentylatorów skra-

7 PROBLEMY EKSPLOATACJI 181 placza i parownika. Sterując regulacją obrotami wentylatorów można ustawiać wartości ciśnia i temperatury pracy sprężarki. Stanowisko umożliwia bieżący odczyt ciśnia ssania i tłoczenia na manometrach (rys. 6a). Manometry przede wszystkim służą do ustawiania odpowiednich warunków pracy, zgodnych z założoną symulacją pracy. Ponadto za pomocą manometrów kontroluje się bieżącą pracę stanowiska. Oprócz sterowania obrotami wentylatorów z użyciem mikroprocesorowego sterownika EVD evlolution jest możliwość nastawy wartości przegrzania i stopnia otwarcia elektronicznego zaworu rozprężnego EEV (rys. 6b). Sterownik EVD firma Carel jest kompatybilny z czynnikami chłodniczymi: R22, R134a, R404A,, R410A, R507A, R290, R600, R600A, R717, R744, R728, R1270, R417A, R422D [11]. a) b) Rys. 6. Wartości parametrów można odczytać na manometrach oraz na ekra sterownika EVD Carel Na stanowisku planuje się wykona badań według programu przedstawionego w tabeli 1. Tabela 1. Program badań nr próby czynnik chłodniczy R134a R134a olej olej mineralny mieszanina olejów poziom oleju normalny normalny normalny zawory Z1 Z2 otwarty otwarty otwarty otwarty powietrze w układzie tak

8 182 PROBLEMY EKSPLOATACJI Podsumowa Z względu na złożoność problemów oddziaływania oleju i czynnika chłodniczego na powierzch robocze sprężarki ma obec ustalonych międzynarodowych norm dotyczących wymagań olejów stosowanych w sprężarkach chłodniczych w zakresie właściwości tribologicznych. Na skonstruowanym stanowisku można symulować różne ekstremalne warunki pracy rzeczywistych sprężarek. Za pomocą profilometrów oraz zdjęć ze skaningowego mikroskopu elektronowego, można będzie stwierdzić zużycie rzeczywistych elementów sprężarki pracujących w znanych warunkach pracy. Porównując poszczególne powierzch z elementami nowej sprężarki można określić wpływ korzystnych czynników na proces zużycia elementów trących sprężarki. Produkty zużyciowe znajdujące się w oleju zostaną poddane mikroanalizie rentgenowskiej w skaningowym mikroskopie elektronowym celem analizy jakościowej i ilościowej pierwiastków znajdujących się w produktach zużycia. Zaprojektowane stanowisko badawcze powinno przyczynić się do lepszego poznania uszkodzeń sprężarek chłodniczych. Bibliografia 1. Bonca, Butrymowicz D., Targański W., Flajduk T.: Poradnik Nowe czynniki chłodnicze i nośniki ciepła. Własności cieplne, chemiczne i użytkowe. IPPU MASTA, Gdańsk De Melloa J.D.B., Binderb R., Demasc N.G., Polycarpouc A.A.: Effect of the actual environment present in hermetic compressors on the tribological behaviour of a Si-rich multifunctional DLC coating, Wear 267 (2009) Dz.U z 20 kwietnia Ustawa o substancjach zubażających warstwę ozonową. 4. Florek R., Rzeszewski S.: Przegląd i analiza własności ziębników w świetle regulacji Protokołu Montrealskiego (cz. I Wprowadze), Chłodnictwo I Klimatyzacja, 3/2005, s Górny K, Tyczewski P., Zwierzycki W.: Characteristics of stands for wear tests of materials for refrigeration compressors elements, Tribologia, 3/2010, s Górny K, Tyczewski P., Zwierzycki W.: Ocena wpływu mieszanin olejów sprężarkowych i czynników chłodniczych na trwałość węzłów tarcia w sprężarkach chłodniczych, Tribologia, 4/2010, s Górny K, Tyczewski P., Zwierzycki W.: Specification of lubricating oil operation in refrigeration compressors, Tribologia, 3/2010, s

9 PROBLEMY EKSPLOATACJI Hong-Gyu Jeon, Se-Doo Oh, Young-Ze Lee: Friction and wear of the lubricated vane and roller materials in a carbon dioxide refrigerant, Wear 267 (2009) Kalinowski K.: Amoniakalne urządzenia chłodnicze. Instalacje Zastosowania Bezpieczeństwo tom 2, IPPU MASTA, Pruszcz Gdański, Recenzent: Włodzimierz PRZYBYLSKI A test stand for examining the wear processes in the refrigeration compressors Key words Examinations, refrigeration compressor, wear. Summary Taking into consideration the varying rules concerning the use of substances impoverishing the ozone layer some new refrigerating media are introduced to the refrigeration devices and the refrigeration installations. The moving parts of the refrigeration compressors are subjected to wear processes depending on a mixture of oil and a new refrigerating medium. As there is no universal oil for the refrigeration compressors at the moment, it was decided to examine an effect of the mixture of oil and the refrigeration medium on the refrigeration compressor elements wearing. In order to determine this effect a test stand for examining the wear processes in the refrigeration compressors was designed. The test stand was built as a real refrigeration system. The elements of that stand were selected in a way that provided a possible universality for different refrigerating media and different oils. On this stand some disadvantageous compressor operating conditions can be simulated. The most important element is a refrigeration compressor located in a dismountable housing. The dismountable housing makes a semi-hermetic operation of the compressor possible and allows the compressor to be replaced for performing the evaluation of the extent of wear of its moving elements.

10 184 PROBLEMY EKSPLOATACJI