Централизованное хладоснабжение - многокомпрессорные холодильные агрегаты (МХА).

Шишов В.В., Фурсов Е.В. (см. "Холодильная техника" №12,2002 г.)

1. Общая информация.

В общем случае централизованные системы хладоснабжения целесообразно использовать для торговых залов площадью свыше 500м².
До середины 80-х годов в коммерческом холоде эксплуатировались системы на базе агрегатов с одним компрессором. Это объяснялось трудностью распределения масла между параллельно установленными компрессорами.
В настоящее время широкое распространение получили МХА - холодильные агрегаты с несколькими параллельно подключенными компрессорами.
Как правило, МХА обслуживают объекты с одной рабочей зоной охлаждения.
Существуют МХА (так называемые сателлитные) с несколькими температурными зонами, например, зонами среднетемпературного и низкотемпературного охлаждения.
Бурное развитие МХА связано с целым рядом причин:

• возможность увеличения хладомощности установки на базе небольших компрессоров (полугерметичные и герметичные компрессоры могут использоваться при хладомощности до 150 кВт);
• хорошие регулировочные свойства холодильной установки и надежность в работе, благодаря использованию в одной холодильной установке нескольких компрессоров;
• увеличение срока службы из-за равномерного распределения нагрузки на компрессоры;
• снижение расходов на вентиляцию и кондиционирование, т.к. теплота конденсации не выбрасывается в торговый зал;
• уменьшение длины трубопроводной сети;
• экономическая выгода - на заводе изготавливается значительная часть холодильной установки.

Основной трудностью при эксплуатации МХА, как и прежде, остается распределение масла между компрессорами.

1.1. Циркуляция компрессорного масла, рекомендации к проектированию трубопроводов.

Особенностью хладоновых систем является применение масел, взаимно растворимых с хладагентом, что позволяет решить проблему циркуляции масла (возврат масла из системы в картер компрессора) без приборов автоматики.

По контуру холодильной системы движется хладагент и компрессорное масло. На участках трубопровода (линии всасывания и нагнетания), где хладагент и масло имеют разные агрегатные состояния (пар – жидкость), возможна задержка масла.

С предприятия-изготовителя МХА поставляется с компрессорами, заполненными маслом. Как правило, этого количества масла недостаточно, поэтому перед первым пуском в эксплуатацию масло следует долить, хотя избыток рефрижераторного масла отрицательно влияет на работу компрессоров и теплообменников.

Общее количество масла, которое следует залить в систему, в значительной мере зависит от протяженности трубопроводов. Ориентировочный объем масла, превышающий объем заполнения картера, маслоотделителя и т.д. составляет ~3 - 5% от количества залитого хладагента. Это масло, как правило, доливается при работающей установке. Указанное ориентировочное значение верно для R 22, при использовании сложноэфирных масел этот объем равен ~2-4%.

В установках с одним компрессором при правильно подобранных трубопроводах возврат выбрасываемого компрессором масла не составляет проблем, так как скорость пара на отдельных участках трубопровода практически не изменяется. Задача решается укладкой трубопроводов с уклоном в сторону движения хладагента, пространственным расположением аппаратов (испаритель – выше компрессора), либо установкой масляных петель на вертикальных участках трубопровода (рис.1.), либо высокой скоростью движения парообразного хладагента.

Для того чтобы обеспечить циркуляцию масла, вертикальные трубопроводы должны быть меньших диаметров, чем подходящий общий трубопровод. Потерями давления в этой части трубопровода можно пренебречь, т.к. они малы.

Диаметр трубопровода линии всасывания должен быть рассчитан на минимально возможный расход хладагента (при минимальной температуре кипения и максимальной конденсации). Необходимо стремиться к увеличению скорости возвращаемого газа, чтобы гарантировать возврат масла в компрессор. В линии всасывания она должна составлять минимум 4 м/c для горизонтальных и 8-12 м/с для вертикальных участков. Увеличение скорости газа свыше 12 м/c приводит к высокому уровню шума и возникновению больших перепадов давления, которые уменьшают производительность установки.

Горизонтальный участок трубопровода линии всасывания должен иметь уклон в сторону всасывающего коллектора (~0,5% или 5 мм на метр длины). Если длина вертикального трубопровода превышает 6 м, он должен быть разбит на участки длиной 4 м каждый с U-образными ловушками для масла.

Рис.1.

Чтобы в системе не скапливалось масло, делают максимально короткие ловушки, т.к. масло при подключении компрессора постепенно вытекает в направлении МХА. В компрессор может попасть много масла, что при определенных условиях приведет к возникновению неисправностей.

Скорость газа во всасывающих трубопроводах системы может значительно изменяться вследствие изменения числа работающих компрессоров при изменении тепловой нагрузки. Поэтому важно обеспечить гарантированный возврат масла в компрессор при любых нагрузках. Трубопроводы часто разделяются на несколько трубопроводов с различными диаметрами. В общем случае это можно сделать применением двойного вертикального трубопровода (рис. 2.).

Рис. 2.

Кроме того, желательно, чтобы возвращаемое масло равномерно распределялось между отдельными компрессорами МХА динамично, без использования механических, подверженных износу деталей.

Всасывающий коллектор необходимо размещать как можно ближе к компрессорам (Maneurop). Трубопроводы, расположенные между коллектором и компрессорами, должны быть гибкими, то есть иметь гасители вибрации. Трубопроводы, соединяющие коллектор и компрессоры, должны входить внутрь коллектора и быть обрезаны под углом 60°, что обеспечивает высокую скорость газа на входе в трубу и улучшает возврат масла, когда его уровень в коллекторе возрастает (рис.3.).

Рис.3.

Если выравнивание уровня масла осуществляется с помощью обычного уравнительного трубопровода (УТ), всасывающий коллектор должен иметь абсолютно симметричную форму, а трубопроводы, идущие от коллектора к каждому компрессору, должны быть короткими и одинаковыми, чтобы обеспечить равенство давлений в картерах всех компрессоров. Если выравнивание уровня осуществляется с помощью регулятора уровня масла (РУМ), эти требования соблюдать необязательно.

Для надежной работы установки необходимо соблюдать следующие рекомендации (рис.4.):
- всасывающие коллекторы А и В должны быть горизонтальными,
- максимальная скорость газа во всасывающем коллекторе должна составлять 4 м/c, всасывающие трубопроводы и коллектор должны быть теплоизолированы, чтобы перегрев всасываемого газа был минимальным.

Рис.4.

1.2. Выравнивание уровня масла.

Как уже упоминалось, количество масла, возвращающегося из системы, необходимо тщательно контролировать. Выравнивание уровня масла в компрессорах – наиболее важный вопрос в МХА. Фирма Maneurop рекомендует два наиболее распространенных способа выравнивание уровня масла:
- система с уравнительным трубопроводом (УТ),
- система с регуляторами уровня масла (РУМ).

Система с УТ является наиболее простой. Она основана на соединении картеров компрессоров общей линией распределения - УТ. Такая система применяется при соединении не более трех компрессоров одинаковой производительности.

Система с РУМ является более сложной системой распределения. Каждый компрессор имеет свой РУМ, который питается от маслоотделителя, расположенного на линии нагнетания. Для установок с четырьмя и более компрессорами необходимо использовать только систему с РУМ.

1.2.1. Система с УТ (рис.5.).

Эта весьма простая система обеспечивает равномерное распределение и одинаковый уровень масла в картере каждого компрессора с помощью штуцеров, расположенных в корпусе компрессора и специально предназначенных для УТ. Необходимо, чтобы давление в картере каждого компрессора было одинаковым, иначе распределение масла по компрессорам будет неравномерным (при разнице давлений в картерах равной 0,001 бара уровни масла не совпадают на 1,1 см).

При установке системы необходимо соблюдать следующие правила:
- УТ должны лежать в горизонтальной плоскости*;
- УТ не должны проходить выше уровня штуцеров*;
- в УТ масла нельзя использовать смотровые стекла*;
- УТ должны быть гибкими (в некоторых случаях может понадобиться установка гасителей вибрации);
- диаметр труб УТ должен составлять 3/8" (~10мм). Трубы меньшего диаметра будут ограничивать подачу масла в компрессоры. В трубах большего диаметра над поверхностью масла может возникнуть течение холодного всасываемого газа. Этот газ будет конденсироваться в неработающих компрессорах, где после продолжительного простоя может скапливаться большое количество жидкого хладагента;
- для обеспечения возможности отключения компрессоров от системы в УТ разрешается устанавливать только шаровые вентили. Использование вентилей других типов может вызвать дополнительные перепады давления в УТ.

*- несоблюдение этих требований может привести к появлению пузырька газа в верхней части УТ, который будет препятствовать перемещению масла.

Рис. 5.

Фирма Linde в зависимости от типа компрессоров в МХА применяет УТ с диаметром – 10 или 15мм.

Фирма Copeland использует УТ диаметром - 7/8" (~22 мм). В случае необходимости применяются регуляторы уровня масла OMA – TraxOil (выпускаемые, например, Alco Controls) или подобного типа с фланцевыми или резьбовыми соединениями на 3/4" и 1 1/8", которые подходят для компрессоров различных фирм (Copeland, Maneurop, Bitzer и т.д.) и присоединяются вместо указателя уровня масла. Для спиральных компрессоров рекомендации повторяются.

Кроме того, при параллельном соединении компрессоров на линии нагнетания всегда рекомендуется устанавливать маслоотделитель (МО), особенно в случаях большой
протяженности трубопроводов, параллельно соединенных конденсаторов или испарителей. В системах с большим количеством масляных ловушек, МО и медленным возвратом масла рекомендуется установить маслосборник (МС).

Наиболее широко распространены следующие два способа сепарации масла:
- c применением отдельных МО (рис.6.),
- с применением общего МО.

В первом случае каждый компрессор имеет собственный МО, из которого масло поступает в компрессор. Важно, чтобы диаметр нагнетательного трубопровода между компрессором и МО не был меньше диаметра нагнетательного патрубка компрессора.

Рис. 6.

Во втором случае (рис.7.) масло из общего МО возвращается к компрессорам через линию всасывания по трубке, расположенной не ближе метра до всасывающего коллектора.

Рис. 7.

По рекомендации фирмы Bitzer масло- и газовыравнивание конструктивно выполняется различно, в зависимости от типа компрессора.

Для параллельного соединения компрессоров с двумя цилиндрами (тип 2HL-1.2 .. 2N-5.2), компрессоров открытого типа (тип T.2- ...2N.2-) УТ может быть выполнена через смотровой глазок уровня масла, расположенный на картере компрессора (для этого требуется специальный переходник, который устанавливается на место смотрового глазка картера компрессора, (рис 8.). Диаметр трубы, соединяющей параллельные компрессоры, должен составлять 28 мм. Дополнительно рекомендуется установить линию газовыравнивания (минимальный рекомендованный размер 10 мм).

Рис. 8.

Для параллельного соединения компрессоров с четырьмя и шестью цилиндрами масло - и газовыравнивание осуществляют с помощью отдельных самостоятельных линий. Необходимые соединения обеспечиваются наличием штатных разъемов на корпусе компрессора. Рекомендованные размеры соединительной линии 16 мм (тип 4T.2,4P.2,4N.2,4Z-5.2 .. 4N-20.2) либо 22 мм (тип 4 H.2 .. 6F.2,4J-13.2 ..6F-50.2). Для систем с большими потерями давления между всасывающим коллектором и компрессором дополнительно устанавливается выравнивающая линия между картерами компрессоров. Компрессор оборудован шаровыми запорными вентилями, расположенными на линиях масло - и газовыравнивания. На рис.9. предоставлен вариант исполнения МАХ с индивидуальными МО для каждого компрессора, на рис.10. - с общим МО.

Рис. 9.

1,3 - штуцеры для присоединения адаптеров; 2,4 – линии газо– и масловыравнивания; 5,6 – запорные вентили; 7,12 – линии нагнетания и всасывания; 8 – МО; 9 – линия возврата масла; 10 – обратный клапан; 11 – всасывающий коллектор; 13 – реле контроля смазки; 14 –фильтр; 15 – уравнивающая линия между картерами.

Рис. 10.

1,3 - штуцеры для присоединения адаптеров; 2,4 – линии газо- и масловыравнивания;
5,6 – запорные вентили для линий газо- и масловыравнивания; 7 – линия нагнетания; 8 – МО; 9 – линия возврата масла; 10 – обратный клапан; 11 – всасывающий коллектор; 12 – линия всасывания; 13 – реле контроля смазки; 14 - фильтр; 15 – изоляция; 16 – уравнивающая линия между картерами.

1.2.2. Система с регулированием уровня масла (Рис.11.).

В случае, когда количество параллельных компрессоров четыре или больше, или используются компрессоры разной производительности (параллельное соединение компрессоров разной производительности и конструкции необходимо избегать) или неизвестно количество возвращаемого масла, предпочтительной оказывается система с РУМ и МО. При использовании этой системы разница в давлениях внутри картера каждого компрессора не должна оказывать влияние на стабилизацию уровня масла.

РУМ должен устанавливаться на месте крепления смотрового стекла. Масло захватывается в МО, откуда оно поступает в МС, из которого распределяется по компрессорам.

На всю систему приходится один общий МО, а каждый компрессор имеет свой РУМ. МС питает РУМ, который направляют масло в компрессор. Выбор МО должен проводиться с учетом суммарной производительности параллельно соединенных компрессоров при условии гарантированной сепарации масла при работе с частичной и полной нагрузкой. Если компрессоры стоят в холодном помещении, МО необходимо теплоизолировать во избежание конденсации хладагента в нерабочие периоды эксплуатации установки. Обратный клапан, установленный на линии нагнетания за МО, уменьшает вероятность этого процесса. В некоторых случаях может оказаться необходимым подогрев МО.

Рис. 11.

При числе объединенных компрессоров более трех (Maneurop) используются РУМ, представляющие собой механические поплавковые вентили (рис.12.), установленные на каждый компрессор.

Рис. 12.

1 – адаптер; 2,5 – уплотнение; 3,4 – крепеж; 6 – РУМ

Они устанавливаются на картере каждого компрессора и регулируют уровень масла (фирма Copland рекомендует применять механические регуляторы уровня масла только с компрессорами, имеющими реле контроля смазки).

На рис.12. предоставлен вариант исполнения системы с РУМ, индивидуальными МО и маслосборником (МС). Давление в МС превышает давление всасывания на величину 1,4 бара (либо промежуточное давление для 2-х ступенчатых машин), что достигается с помощью использования дифференциального клапана давления. Для установки РУМ используется соответствующий адаптер.

Рис. 13.

1 – РУМ; 2 – присоединительный адаптер; 3 – линия нагнетания; 4 – МО; 5 – обратный клапан; 6 – линия возврата масла; 7 – МС; 8 – дифференциальный клапан давления; 9 – линия сброса давления; 10 – маслоподвод.

1.3. Электронные блоки управления

Электронная система регулирования мощности, например, электронный блок управления VS200(Linde), Kriwan INT 2000SD2 обеспечивает согласование хладомощности агрегата и соответствующей потребности установки в холоде.

В системах управления предусмотрено циклическое переключение основной нагрузки (с примерно двухчасовым циклом), которое обеспечивает одинаковое время работы компрессоров и повышает надежность системы динамического распределения масла.

1.4.Предохранительные устройства.

Для контроля уровня масла в спиральных компрессорах сателлитных МХА, расположенных на одной плоскости, между линиями всасывания и выравнивания уровня масла можно встроить два указателя уровня и запорный вентиль (рис. 14.). Контрольное устройство служит исключительно для проверки уровня масла в состоянии покоя.

Рис. 14.

Для того чтобы проконтролировать уровень масла, следует выключить все компрессоры и открыть указанный выше запорный клапан. Через 5 минут, благодаря выравниванию давления, установится одинаковый уровень масла. Верхний указатель служит для предотвращения перелива масла, при нормальном заполнении уровень масла не показывается. При необходимости следует долить или удалить масло. Перед запуском компрессора следует закрыть запорный клапан.

В случае неисправности в поплавковом вентиле МО возможен прорыв горячего газа в линию всасывания компрессора. Этого можно избежать, установив на линию возврата масла нормально закрытый соленоидный вентиль, который будет производить периодический ввод масла в компрессоры. Периодичность составляет 5 секунд на каждые 10 минут работы.

Рекомендуется установка масляных фильтров на линии возврата масла.

В компрессорах, где имеются масляные насосы, давление масла контролируется с помощью реле контроля смазки – РКС (дифференциальные регуляторы давления типа МР54 или 55 фирмы Danfoss). При понижении разницы давлений в масляном насосе ниже установленной величины РКС прекращает работу соответствующего компрессора.

Для работы МХА со спиральными компрессорами могут использоваться электронные регуляторы уровня масла (OMA – TraxОil), которые следят за маслоснабжением, а, следовательно, и безаварийной работой компрессоров.

Если уровень масла ниже требуемого, магнитный вентиль открывается и подает дополнительные объемы масла. При достижении требуемого уровня масла магнитный вентиль остается открытым еще 10 секунд. Если уровень масла ниже требуемого в течение 120 секунд, то компрессор отключается и подается сигнал тревоги.

Электронный регулятор уровня масла автоматически вновь включает компрессор после достижения требуемого значения уровня масла.

1.5. Рефрижераторное масло

Хладагент и применяемое рефрижераторное масло должны быть взаимно растворимы. В МХА на R22 и R402A – фирма Linde в настоящее время использует главным образом масло Shell 22-12 (международное обозначение: рефрижераторное масло Shell SD). Это масло уже использовалось ранее в МХА на R502. При переходе с R502 на R402A сорт масла остается прежним, хотя и надо проводить его замену.

Исключением являются МХА с герметичными компрессорами, которые требуют особого температуростойкого масла. Фирма Maneurop применяет в своих компрессорно – конденсаторных агрегатах минеральное масло 160Р для агрегатов MGM и HGM (R 22), синтетическое масло 160PZ для агрегатов MGZи HGZ (R 404А, R 507, R 134a), синтетическое масло 160Z для агрегатов LGZ (R 404А, R 507).

Компрессоры Danfoss работают с алкилбензольным маслом.

Фирма Bitzer дает следующие рекомендации по использованию масел для R 22:

М – минеральное масло;
А – алкилбензольное масло;
М/А – частично синтетическое масло (М+А);
Н – кондиционирование;
М – средние температуры;
L – низкие температуры;
(L) - низкие температуры с применением полугерметичных компрессоров, работающих при высокой температуре конденсации.

Для систем с высокой тепловой нагрузкой (тепловые насосы, низкотемпературные установки) фирма Bitzer настоятельно рекомендует применять только "родное" масло Bitzer B 5.2.

Синтетические алкилбензольные масла средней вязкости типа ХК 57, характеризуемые химической стабильностью и хорошей растворимостью с хладагентами, применяют в низкотемпературных холодильных машинах на любых (H)CFC хладонах. Они являются эффективными низкотемпературыми компонентами в компаундных маслах Shell 22-12, и т.д.

Для компрессоров DWM Copeland допускает использовать следующие масла, а также смеси из них:

В согласованно – спиральных компрессорах Copeland с хладоном R 22 используется "Белое масло", за исключением моделей ZR 90K3... ZR 19M3, в которых применяется масло Suniso 3GS. "Белое масло" совместимо с маслами Suniso 3GS, Texaco WF 32 и Fuchs KM.

При использовании незатопленных испарителей (они почти всегда используются в МХА) растворимость хладагента в масле является предпосылкой хорошей теплопередачи в испарителе и исправной работы системы возврата масла в агрегат.

Новые, не содержащие хлора хладагенты, например R134a и R404A, не растворяются в обычных рефрижераторных маслах, в том числе в масле Shell 22-12.

Поэтому в МХА с новыми хладагентами (R134a, R404A) используются сложноэфирные (как правило, полиэфирные) масла.

Компрессоры Copeland поставляются со следующими полиэфирными маслами (РОЕ):

Представители Copeland утверждают, что эти масла можно смешивать друг с другом.

При обращении со сложноэфирными маслами следует обязательно соблюдать два правила:
- нельзя оставлять масло в открытой таре более 15 минут (Maneurop).

Сложноэфирные масла чрезвычайно гигроскопичны (они активно поглощают влагу из окружающего воздуха). При взаимодействии сложноэфирного масла с водою образуется кислота. Доливать сложноэфирные масла следует из новых небольших емкостей, для того чтобы по возможности минимизировать поглощение влаги из воздуха, т.к. осушить масло непросто. Максимально допустимое значение влагосодержания масла, равное 200ppm, будет превышено при температуре окружающего воздуха 25°C и относительной влажности воздуха 50% через два часа.

Проверку качества масла (проверку кислотности) следует проводить не реже одного раза в год. Если результаты проверки отрицательны, то следует заменить масло и сменный сердечник фильтра.
- доливать можно только сорт масла, указанный на компрессоре: молекулярные структуры сложноэфирных масел могут различаться, кроме того, некоторые из них содержат несовместимые добавки.

Рекомендуется заменять масло после 20.000 - 25.000 часов работы агрегата.

2. Снабжение маслом спиральных компрессоров.

МХА со спиральными компрессорами в сателлитном (двойном) режиме (рис.15.).
Выравнивание уровня масла в сателлитном режиме также производится при помощи УТ, подключенного к штуцерам смотровых стекол компрессоров во время оттайки.

Выравнивающие маслопроводы средне- низкотемпературных блоков связаны друг с другом при помощи управляемого магнитного вентиля. При одновременном размораживании всех потребителей блока низкотемпературного охлаждения происходит регулировки уровня масла. В начале оттаивания магнитный вентиль размыкает соединительную линию. Так как давление всасывания в корпусах компрессоров различается, сначала из компрессоров среднетемпературного охлаждения в компрессоры низкотемпературного охлаждения подается излишнее масло. В конце оттайки, когда давление в компрессорах низкотемпературного охлаждения превышает давление в компрессорах нормального охлаждения, избыточное масло подается в обратном направлении - из компрессоров низкотемпературного охлаждения в компрессоры среднетемпературного охлаждения.

По окончании размораживания магнитный вентиль вновь замыкается.

Если в области низкотемпературного охлаждения не все потребители холода могут быть разморожены одновременно, в низкотемпературных компрессорах при помощи обводной линии, ведущей от стороны высокого давления к стороне низкого давления компрессора низкой температуры, повышается давление. Для того чтобы избежать выравнивания (давления) газа в остальной низкотемпературной линии всасывания требуется установить обратный клапан. Не позже чем через 3 минуты обводная линия будет вновь закрыта.

При наличии более четырех компрессоров в одной температурной ступени и при расположении компрессоров на нескольких уровнях станины, снабжение маслом обеспечивают РУМ, маслосборники и электронные регуляторы уровня масла.