OLIE. Olie terugvoer. Directe verdamping

Transcriptie

1 De aanwezigheid van olie in een koelsysteem kunnen we als een noodzakelijk kwaad beschouwen. Olie dient voor het smeren van de lagers wat echter van vitaal belang is voor de goede werking van de compressor. Onder alle omstandigheden zal de olie voor een goede smering moeten zorgen, waarbij wij kunnen stellen, dat de fabrikant van de compressor voor zijn product de beste olie zal kiezen, Het is derhalve duidelijk. dat men de aanbevelingen van de compressor fabrikant ten aanzien van de olie te allen tijde moet opvolgen, Doen zich in enkele gevallen problemen voor, dan moet men alvorens van olie te wisselen, zich met de fabrikant in verbinding stellen om zijn advies te vragen. Olie-problemen Olie problemen in koelsystemen doen zich meestal voor in drie gebieden en wel: 1. stabiliteit, 2. olieterugvoer, en 3. verdunning van de olie in het carter van de compressor. Vooruitgang is gemaakt in de oplossing van deze problemen door verbetering van het product en een beter begrip inzake de gedragingen van olie en het koelmiddel. Moderne smeermiddelen voor de koeltechniek zijn hoogwaardige producten; met de uiterste zorg geraffineerd ten einde verontreinigingen te vermijden en veelal zijn hieraan stoffen toegevoegd om de chemische stabiliteit te verbeteren. Het verschijnsel van copper-plating (afzetting van koper op compressordelen) is grotendeels verdwenen als een resultaat van de toepassing van deze stabiele oliesoorten. Ook heeft hieraan de grotere zorg, om verontreinigingen te vermijden bij de assemblage van koelsystemen, medegewerkt. Door een juiste keuze van koelmiddel bij te verwachten werkcondities waardoor extreem hoge condensatietemperaturen vermeden kunnen worden, alsmede het gebruik van de meer stabiele oliesoorten, is het verschijnsel van de vorming van een harde harsachtige laag op persklep en heetgasleiding praktisch verdwenen. Olie problemen in de verdamper en in het carter van de compressor worden nu ook beter onderkend; wij zullen deze problemen in het volgende hoofdstuk nader bespreken. Een werkelijk probleem is het vaststellen van een oliestoring. Het controleren van de oliestand bij grotere machines hoeft geen probleem te vormen, daar deze installaties uitgerust zijn met oliedrukbeveiliging, terwijl het oliekijkglas op het carter duidelijk het oliepeil laat controleren. Daarbij komt nog, dat het carter over het algemeen bij deze grotere machines gemakkelijk toegankelijk is. Moeilijker is het om bij hermetisch gesloten machines te ontdekken, waar zich in feite de olie in het systeem zich bevindt. Ontbreekt de smering totaal, dan heeft dit ogenblikkelijk vastlopen van de compressor ten gevolge van warmlopen van de glijlagers. Alvorens dit echter gebeurt, geeft de temperatuur in de buurt van het carter een indicatie, waarbij een hogere temperatuur dan normaal op een tekort aan olie kan wijzen. Verzamelen zich grote hoeveelheden olie in de verdam-per, dan kan de capaciteit verminderen. Bestaat de mogelijkheid uit de koeler een monster koelmiddelolie mengsel te nemen (in b.v. een maatglas), dan heeft men na het uitdampen van het koelmiddel een hoeveelheid olie, welke bij benadering aangeeft, hoe de verhouding koudemiddelolie in de verdamper is. Vooropgesteld dat de totale hoeveelheid, resp. het niveau in het glas voor de proef is genoteerd. Zodra er sprake is, resp. kan zijn van een olieprobleem, dan verdient het aanbeveling een goede olieafscheider in de heetgasleiding te monteren. Hierdoor is het mogelijk, om in het gunstigste geval ongeveer 90% naar de compressor terug te voeren en te voorkomen dat deze olie niet in de verdamper, het koudste deel van de installatie, komt. Het probleem wordt hiermee niet volledig opgelost, echter wordt het transport van olie naar de verdamper hierdoor sterk vertraagd.

2 Olie terugvoer Bij zuiger-en roterende compressoren circuleert meestal een klein deel van de olie met het koelmiddel door het systeem. Dit heeft voordelen, daar deze olie medewerkt aan het smeren van kleppen maar ook, zij het onder bepaalde omstandigheden en hoeveelheden, door betere warmteoverdracht in de verdamper de capaciteit in mate verbeteren kan. De problemen ontstaan, wanneer de naar de verdamper gevoerde olie niet meer naar de machine wordt teruggevoerd. Het ontstaan van deze problemen hangt tamelijk sterk af, van de wijze, waarop de verdamping in de verdamper plaats vindt. Directe verdamping In een verdamper met directe verdamping van het koelmiddel verdampt het koelmiddel, voordat het einde van de verdamper is bereikt. De olie, welke in het vloeibaar koelmiddel bij het begin aanwezig is, zal aan het einde als vloeibare olie naar de compressor worden teruggevoerd. Hoe snel en hoe goed dit gebeurt, hangt af van de gassnelheid en de viscositeit van de gebruikte olie. De aanbevolen gassnelheden, welke voor een goed olietransport via de zuigleiding minstens nodig zijn, liggen bij ongeveer 3,5 m/sec, (210 m/min) voor horizontale en bij ongeveer 7,5 m/sec. (450 m./ min) voor verticaal lopende leidingen. De juiste berekening van de zuigleiding behoort over het algemeen tot de werkzaamheden van de installateur, resp. fabrikant welke echter in de praktijk tot enige problemen aanleiding kan geven. Om lawaai te verminderen en extreem hoog drukverlies in de leiding te vermijden, worden gassnelheden boven 15 m/sec. (900 m/min) niet aanbevolen. Ook de viscositeit van de olie is zeer belangrijk, daar dikke en derhalve hoog-viskeuze oliesoorten slechter met het koelmiddel in dampvorm worden getransporteerd, dan de dunne oliesoorten, De viscositeit van de olie is afhankelijk van de temperatuur, maar ook van de hoeveelheid koelmiddel, welke in de olie is opgelost. Bij luchtbehandelingsinstallaties spelen beide factoren praktisch geen rol, daar de viscositeit van de olie alleen, zeer laag is. Bij lagere verdampings-temperaturen neemt de viscositeit van de olie niet alleen toe, maar ook wordt de oplosbaarheid van het koelmiddel minder. Onder bepaalde condities in de koeler, kan het voorkomen, dat beide factoren zo veel invloed uitoefenen, dat de olie niet zo snel via de zuigleiding wordt afgevoerd, als het met het vloeibaar koelmiddel in de koeler wordt gebracht. Oplosbaarheid van het koelmiddel Het koelmiddel, dat in de olie is opgelost, maakt deze olie dunner vloeibaar. Tussen de mate van vloeibaarheid van de olie en de hoeveelheid opgelost koelmiddel bestaat een direct verband, Bij die koelmiddelen welke goed in de olie oplossen, wordt de olie meer vloeibaar en laat zich zonder problemen naar de compressor terugvoeren. Bij FREON 22 en FREON 502, koelmiddelen die minder goed in olie oplosbaar zijn, kan onder bepaalde bedrijfsomstandigheden de oplosbaarheid zo gering en de viscositeit van de olie zo hoog zijn, dat zich problemen rond de olie terugvoer kunnen voordoen. FREON 12 is in alle concentraties met alle oliesoorten goed mengbaar. Met elke hoeveelheid olie gemengd, zal zich steeds een vloeistoffase handhaven tot aan zeer lage temperaturen (tot -75 C). Bij FREON 22 vormen zich bij temperaturen tussen Ongeveer -7 C en +5 C (waarbij de temperatuur afhankelijk is van de oliesoort, welke wordt gebruikt) twee vloeistoflagen. Bij FREON 502 ontstaan bij alle normale temperaturen twee lagen vloeistof, welke van geen betekenis zijn voor de olie terugvoer, het geeft een aanwijzing voor de relatieve oplosbaarheid. De belangrijkste vraag is echter, hoeveel koelmiddel in de olie is opgelost, welke na het verdampen van het koelmiddel in de olie achterblijft. Zowel bij FREON 22 als bij FREON 502 is onder verzadigingsconditie genoeg koelmiddel in de olie opgelost, om deze tot minstens -40 C en zelfs lager vloeibaar te houden.

3 Viscositeit van de olie De viscositeit geeft aan hoe vloeibaar de olie is; deze viscositeit wordt onder verschillende condities, welke in de verdamper kunnen voorkomen, gemeten. In het eerste deel van de verdamper, is de olie ofwel in het vloeibaar koelmiddel opgelost, ofwel, wanneer zich een gescheiden olielaag heeft gevormd, met koelmiddel verzadigd. Onder deze verzadigingscondities is de olie zelfs bij lage temperaturen dun vloeibaar, ongeacht of het koel-middel FREON 502 of FREON 22 dan wel FREON 12 is. Verderop in de verdamper is de koelmiddeldamp oververhit en neemt de temperatuur toe, ook wanneer de druk constant blijft. In deze oververhittingsfase verdampt wat koelmiddel uit de olie, waardoor de viscositeit van de olie toeneemt. Ter gelijker tijd echter wordt de olie door de hogere temperatuur weer dunner vloeibaar. Allereerst maakt zich het uitdampen van het koelmiddel uit de olie merkbaar, later is de temperatuurtoename belangrijker. In de oververhittings-fase bereikt de viscositeit van de olie allereerst een maximum om daarna af te nemen. De grootste viscositeit ligt niet zoals vaak wordt gedacht, in het koudste gedeelte van de verdamper, maar zoals hierboven is verklaard ergens in de oververhittings-zone. Bij FREON 22 en FREON 502 neemt de viscositeit van de olie reeds bij enkele graden oververhitting sterk toe en bereikt bij ongeveer 17 C het maximum. Bij FREON 12 ontstaat dit maximum veel later en wordt de maximum viscositeit van de olie bereikt bij ongeveer 25 / 33 C oververhitting. De maximale viscositeit van de olie is bij FREON 12 belangrijk lager dan bij de beide andere koelmiddelen. Bij dezelfde verdampingstemperatuur wordt de maximale olieviscositeit met FREON 22 iets eerder bereikt, dan met FREON 502. Hieruit volgt, dat koelmiddelen met lage oplosbaarheid in olie, zoals bv, FREON 22 en FREON 502 een zo gering mogelijke oververhitting in de koeler moeten krijgen, Bij koelmiddelen met een goede oplosbaarheid in olie, zoals FREON 12, kan met een grotere oververhitting worden gewerkt. Een goed werkende olie-terugvoer In het geval, dat de terugvoer van de olie problemen schept, adviseren wij de volgende punten te controleren: 1. Kontroleer de gassnelheden, om zekerheid te krijgen dat de leidingen goed berekend zijn, Het is gebruikelijk, om de leidingen naar de compressor op afschot te leggen, om hier-mede de terugvoer van de olie te ondersteunen. Voorts is het gebruikelijk om olie-traps (ook wel oliezakken genoemd) in het leidingnet aan te brengen, indien de leiding verticaal stijgt. 2. Bij gebruik van FREON 22 of FREON 502, resp. een ander koelmiddel, waarvan de oplosbaarheid in de olie gering is, dient de oververhitting in de verdamper zo klein mogelijk te zijn. 3. Verwarm het zuiggas bij het verlaten van de verdamper, zo spoedig mogelijk op een temperatuur, welke ligt boven de temperatuur, waarbij de olie de hoogste viscositeit heeft bereikt. Dit is echter afhankelijk van de verdampingstemperatuur en nog enkele andere omstandigheden, welke hier te ver zouden voeren. Voor de olie-terugvoer is het echter het beste, wanneer het zuiggas zo snel mogelijk een temperatuur van -6 C tot 4 C bereikt. Hiervoor is de toepassing van een vloeistofdamp warmtewisselaar zeer aan te bevelen.

4 Vloeistof-damp warmtewisselaar De toepassing van een vloeistof-damp warmtewisselaar is niet alleen nuttig voor de verwarming van de olie uit de verdamper om de terugvoer naar de compressor te bevorderen, maar dient tevens voor verbetering in de Warmtecapaciteit van de damp. Door het opnemen van warmte door de koude damp uit de toegevoerde vloeistof naar het expansieventiel, neemt de temperatuur van de vloeistof af en verbetert daardoor het nuttig koeleffect. Een eenvoudige en goedkope warmtewisselaar kan bestaan uit een dubbelpijpspiraal, waarbij de vloeistof door de binnen-spiraal wordt gevoerd. De uit de verdamper afgezogen damp, passeert de binnen-spiraal aan de buitenzijde, daarbij warmte uit de vloeistof opnemende; de buitenspiraal is dus aan een zijde op de verdamper-uitlaat, aan de andere zijde op de zuigleiding aangesloten. Bij laagtemperatuur installaties hebben laboratorium proeven aangetoond, dat het in verband met het voorkomen van vloeistofslag praktisch beter is het zuiggas door de binnen-spiraal te voeren en de vloeistof door de buiten-spiraal. Gelijktijdig is de olie-terugvoer naar de compressor vereenvoudigd. In de tekening is de voeler van het expansieventiel aangegeven na de warmtewisselaar met het doel om de warmte-wisseling zo dicht mogelijk bij de verdamperuittrede te laten plaats vinden. Deze plaats van de voeler heeft zich in laboratoriumproeven als de beste plaats getoond, echter is hiermede niet aangetoond, dat deze plaats voor elke toepassing de juiste is. Vloeistof gevulde, natte verdampers In een natte verdamper is te allen tijde vloeibaar koelmiddel aanwezig. zoals normaal in de buitenmantel van een warmtewisselaar. Het koelmiddel verdampt aan de oppervlakte van de vloeistof, en aangezien in de verdamper tijdens de verdamping sprake is van turbulente en andere stromingen, er slechts een geringe kans blijft bestaan, dat de olie door de koelmiddel-damp uit de verdamper kan worden afgevoerd. De olie, welke met het koelmiddel naar de verdamper wordt gevoerd, zal derhalve in de koeler blijven, tenzij speciale maatregelen worden getroffen. In een dergelijke situatie, is het belangrijk of de olie wel of niet in het koelmiddel oplost en of bij lage temperaturen twee vloeistoflagen worden gevormd t.w. olie en vloeibaar koelmiddel. In FREON 12 zijn oliesoorten op naphteen-basis tot minstens -70 C volledig oplosbaar. Om het verzamelen van olie in een natte verdamper tegen te gaan, moet een gedeelte van het vloeibaar koelmiddel uit de verdamper in een afscheider worden gevoerd, waarin het koelmiddel kan uitdampen en de olie weer naar de compressor kan worden teruggevoerd. De hoeveelheid vloeistof, welke uit de verdamper naar de afscheider wordt gevoerd, moet worden geregeld, daar de concentratie van de olie in het koelmiddel in de verdamper constant moet blijven. Twee lagen vloeistof Bij koelmiddelen, zoals FREON 22 en FREON 502, welke slecht oplosbaar zijn met olie, ontstaan twee lagen vloeistof, welke ontstaan bij temperaturen, afhankelijk van de soort olie en het percentage olie in het koelmiddel. Daar de olie een lager soortelijk gewicht heeft dan het koelmiddel komt de olielaag boven drijven (bij ammoniak, dat lichter dan olie is, zakt de olie naar beneden). Bij dit soort installaties wordt de olielaag ofwel continu of van tijd tot tijd afgevoerd, waarbij de olie in een vloeistofafscheider wordt gevoerd, waarin het koelmiddel uit de olie kan verdampen. Ofschoon zich twee lagen vormen, zijn geen van beiden volkomen zuiver, d.w.z., dat de olielaag een behoorlijke hoeveelheid koelmiddel bevat en de laag koelmiddel een kleine hoeveelheid olie. De condities van temperatuur en concentratie, waarbij een of twee lagen ontstaan met het koelmiddel FREON 22 en FREON 502 zijn in figuur 3 aangegeven. Zo bevat b.v. FREON 22 en een normale naphteen-olie bij -40 C de olielaag ongeveer 35% FREON 22 en de koelmiddel-laag ongeveer 2% olie.

5 Bij FREON 502 zijn deze twee lagen aanwezig bij temperaturen tot ongeveer 80 C waarbij bij -40 C de olielaag ongeveer 20% koelmiddel en de vloeistof ongeveer 1 % olie bevat. Daar bij FREON 502 de oplosbaarheid van de olie in het vloeibaar koelmiddel zeer gering is, is de afscheiding in twee lagen en de terugvoer van de olie naar de compressor iets eenvoudiger. Carter Een ander gebied, waar de oplosbaarheid van olie en koelmiddel van groot belang is, betreft het carter van de machine. De verhoudingen worden aangetast door de temperatuur van de olie en de druk van het koelmiddel, welke op zijn beurt weer afhankelijk is van de temperatuur, zowel als het soort koelmiddel en olie. De fabrikant kiest een oliesoort, welke ook na de optredende vermindering in smeervermogen door de menging met het koelmiddel, een juiste smering zeker stelt. Heerst in het carter de zuigdruk, welke onder bedrijfscondities laag is, dan is ook de oplosbaarheid van het koelmiddel gering. Bij sommige compressoren staat het carter onder persdruk en dient men bij de keuze van de olie met een grotere oplosbaarheid van het koelmiddel rekening te houden. Het verdunnen van de olie Wanneer onder normale bedrijfscondities de temperatuur in het carter tamelijk hoog en de zuigdruk laag is, dan zal zich in de olie slechts een kleine hoeveelheid koelmiddel bevinden. Bedraagt bij FREON 12 de zuigdruk bv. 1,7 bar, overeenkomende met een verdampingstemperatuur van-4 C en bedraagt de olietemperatuur ongeveer 65 C, dan zal de olie ongeveer 6% FREON 12 bevatten. Is deze installatie nu buiten bedrijf, en zijn zowel de olie als het koelmiddel op ruimtetemperatuur en overeenkomende druk, dan kan de olie in het carter meer dan 50% koelmiddel bevatten. Deze zgn. migratie van het koelmiddel naar het carter vindt niet ogenblikkelijk plaats na het stopzetten van de machine; het evenwicht wordt eerst na meerdere uren stilstand bereikt. Bij het weer starten van de compressor wordt het aanwezig koelmiddel snel uit de olie gezogen, waarbij sterke schuimvorming optreedt en olie uit de compressor kan worden meegevoerd, Voorts volgt hieruit, dat de olie, welke zoveel koelmiddel bevat, niet voldoende smering van lagers kan bewerkstelligen en men rekening moet houden met het feit dat in de eerste minuten de lagers aan abnormale slijtage worden blootgesteld Hoewel de oplosbaarheid van FREON 22 in olie niet zo groot is als bij FREON 12, echter toch voldoende om bij condities als hierboven beschreven ernstige problemen te kunnen veroorzaken. De oplosbaarheid van FREON 502 is nog geringer met als gevolg dat bij voldoende vloeistof twee vloeistoflagen ontstaan. De geringe oplosbaarheid van FREON 502 kan in veel gevallen een voordeel betekenen, daar de invloed op de kwaliteiten van de olie eveneens gering is. Het optreden van twee vloeistof lagen is niet aantrekkelijk en dient derhalve vermeden te worden.

6 Carterverwarming De carterverwarming, welke dient om de olietemperatuur in het carter constant te houden om hierdoor te voorkomen, dat bij lange stilstand het koelmiddel zich met de olie mengt, vindt steeds meer toepassing. Om het gewenste resultaat te bereiken, zijn bij FREON 12 olietemperaturen van 60 / 65 C voldoende, voor FREON 22 en FREON 502 kunnen deze temperaturen iets lager zijn. Het is vaak beter een verwarming van beperkt vermogen continu in bedrijf te laten, dan een automatisch werkende verwarming van groter vermogen. Bij voorkomende storingen is dan het gevaar minder, dat de olie oververhit kan raken. Bij toepassing van een continu werkend verwarmingsapparaat welk de olie op een temperatuur van 20 C boven de ruimtetemperatuur houdt, zal de werktemperatuur van de olie slechts met 1 C toenemen. De foto s tonen de oplosbaarheid van FREON 12 en FREON 22 met koelmachine-olie bij gemiddelde en lage temperaturen, beide monsters bevatten 40% olie volume en 60% FREON volume.