Mazání čistým chladivem pro bezolejové odstředivé kompresory

Mazání čistým chladivem pro bezolejové odstředivé kompresory

V klimatizačních systémech velkých budov a v některých průmyslových procesech připravují chladicí studenou vodu chladiče. Velké chladiče využívají v chladicím cyklu odstředivé kompresory. V běžných kompresorech je hřídel uložena v hydrodynamických ložiskách mazaných olejem. V současné době společnost SKF vyvinula řadu valivých ložisek, která mohou být mazána chladivem.

Autoři:
Guillermo E. Morales-Espejel, vedoucí vědecký pracovník, SKF Engineering and Research Centre, Nieuwegein, Nizozemí
Rudolf Hauleitner, projektový manažer, vývojová kancelář SKF, Steyr, Rakousko
Hans H. Wallin, strategický technický manažer pro kompresory, SKF USA Lansdale, Pensylvánie, USA

Stroje a zařízení Maziva

Souhrn

1. V průběhu několika let vyvinula společnost SKF řešení pro PRL ložiska, která jsou vhodná pro uložení mazání chladivem například v bezolejových kompresorech.

2. Řešení je založeno na pečlivém výběru materiálů, konstrukci a vysoké kvalitě, jakož i na laboratorních zkouškách a testech.

3. Vzhledem k tomu, že na trh jsou uváděna další nová chladiva, SKF zkoumá jejich vlastnosti a vliv na tribologii ložisek a pracuje na vývoji technologie PRL, aby mohla nabídnout účinné řešení pro kompresory.

Vědci ve výzkumném a vývojovém středisku SKF Engineering and Research Centre zkoumali v devadesátých letech minulého století mazací oleje zředěné chladivem a jejich vliv na výkonnost a trvanlivost ložisek. V chladicích kompresorech v podstatě nelze zabránit zředění oleje chladivem. Je tedy důležité pochopit, jak se projeví vliv zředění na výkonnosti ložisek. Výzkum ukázal, že běžná celoocelová ložiska začala vykazovat známky nedostatečného mazání již při 20-30procentním zředění. Z toho důvodu se tedy další výzkum zaměřil na alternativní konstrukce ložisek a materiály, které by zlepšily funkci ložisek a prodloužily jejich trvanlivost za podmínek nedostatečného mazání. Studie ukázaly, že je obtížné stanovit mezní zředění pro hybridní ložiska s ocelovými kroužky a keramickými kuličkami z nitridu křemíku ložiskové kvality (Si3N4). V roce 1996 se konečně uskutečnila zkouška s hybridními ložisky, která byla mazána pouze chladivem bez stopových množství oleje. Po skončení ověřovacích testů byla ložiska „jako nová“. To byl výsledek, který měl zásadní význam. Ukázal, že je možné používat chladivo jako mazivo pro speciální ložiska. Od té doby další výzkum a aplikační vývoj přinesly několik dalších zlepšení vlastností, které umožnily dosáhnout dlouhodobého a spolehlivého chodu ložiska.

 

Obr. 1: Chladič s odstředivým kompresorem se dvěma oběžnými koly.

Obr. 1: Chladič s odstředivým kompresorem se dvěma oběžnými koly.

Navazující analytické studie ukázaly, že chladiva by skutečně mohla vytvářet elastohydrodynamický mazivový film. Viskozita chladiv – stejně jako olejů – se totiž zvyšuje působením velmi vysokých tlaků v místech styku mezi valivým tělesem a oběžnou dráhou. Nárůst sice není tak velký jako u mazacích olejů, ale je dostatečný, aby vznikl velmi tenký mazivový film. V běžných celoocelových ložiskách tak tenký film nedostačuje k zajištění mazání, avšak v ložiskách z kombinace materiálů keramika/ocel a dále v nově vyvinutých hybridních ložiskách umožňuje i tento velmi tenký mazivový film vytvořený chladivem spolehlivou funkci. Dříve panovaly domněnky, že není možné používat chladivo jako mazivo, protože většina chladiv má velmi nízkou viskozitu.

Oblast vývoje speciálních ložisek zajišťujících požadovanou funkci při mazání pouze chladivem je označena termínem technologie „mazání čistým chladivem” (pure refrigerant lubrication – PRL) pro valivá ložiska. PRL představuje specifickou část širšího programu SKF, který se zaměřuje na kapaliny s velmi nízkou viskozitou (ULVF) pro mazání ložisek (např. paliva, voda, raketová paliva nebo kapalné plyny). Skupina SKF vlastní několik patentů v oblasti PRL a ULVF.

 

Obr. 2: Uložení odstředivého kompresoru chladiče se dvěma oběžnými koly

Obr. 2: Uložení odstředivého kompresoru chladiče se dvěma oběžnými koly

Ložiska PRL v odstředivých kompresorech
Jednou z oblastí využití ložisek mazaných chladivem představují kompresory chladičů [1] ve velkých klimatizačních systémech a průmyslových procesech. Chladiče využívají chladivo v cyklu odpařování k ochlazování vody, která pak slouží jako chladicí médium v průmyslovém procesu nebo v klimatizačním systému budovy. Velkoobjemové chladiče o chladicím výkonu více než 300 tun TR jsou zpravidla vybaveny odstředivými kompresory. Většinou je pro každý chladič určen jeden kompresor. Odstředivé kompresory mají jedno nebo několik oběžných kol (obr. 1). Otáčky oběžného kola jsou určeny požadovanou obvodovou rychlostí oběžného kola a závisejí na velikosti kompresoru a objemu a typu používaného chladiva. Kompresory, které využívají nízkotlaká chladiva, pracují s nižšími otáčkami než kompresory pro středo- a vysokotlaká chladiva. Dokonce i v případě, že ložiska jsou mazána olejem, představují provozní podmínky ložisek v kompresorech obtížný problém z hlediska zajištění mazání vzhledem k přítomnosti chladiva. Ložiska hřídele oběžného kola mají zásadní význam pro výkonnost a účinnost kompresoru.

Běžné kompresory jsou osazeny hydrodynamickými ložisky, která vyžadují oběh velkého množství oleje pro zajištění mazání a odlučovací systémy pro odstranění chladiva z oleje, aby bylo možné olej nadále používat k mazání ložisek. Vzhledem k tomu, že chladiva jsou zpravidla velmi dobrými rozpouštědly, je obtížné zabránit zředění oleje. Valivá ložiska mazaná olejem vyžadují menší průtok oleje a mají nižší třecí moment, avšak také potřebují odlučovací systémy, které sníží množství chladiva v oleji.

Z toho důvodu je použití technologie PRL v tomto případě neobyčejně atraktivní [2] (obr. 1 a 2). Provoz bez mazání olejem nabízí ještě další přednosti: není nutné zajistit odlučování oleje ani likvidaci použitého oleje, nehrozí riziko hromadění oleje ve výparníku, není zapotřebí ohřívák a v případě chladičů chlazených vzduchem nehrozí, že by při prasknutí potrubí došlo ke kontaminaci půdy.

 

Obr. 3: Uspořádání měřicího zařízení pro měření tloušťky mazivového filmu tribometrem SKF WAM-5.

Obr. 3: Uspořádání měřicího zařízení pro měření tloušťky mazivového filmu tribometrem SKF WAM-5.

Mazací vlastnosti chladicích kapalin
Pochopení, do jaké míry dokáže chladivo vytvořit mazivový film v silně zatíženém místě valivého styku stejně jako olej, představuje zásadní otázku vývoje v oblasti PRL. Ložiska jsou mazána v režimu elastohydrodynamického mazání (EHL) [3]. Jinými slovy, vzhledem k tomu, že v ložiskách působí vysoké zatížení v místě styku valivého tělesa a oběžné dráhy, mazivo vykazuje nárůst viskozity se vzrůstajícím tlakem a současně vyvolává pružnou deformaci valivého tělesa, aby se „vešlo“ mezi valivé těleso a oběžnou dráhu. Tyto dva mechanismy umožňují vznik tenkého mazivového filmu tloušťky od jednoho do několika mikronů v režimu mazání EHL. Za normálních podmínek při mazání olejem dokáže tento film oddělit tělesa v místě styku. Až donedávna však nebylo jasné, zda také některá používaná chladiva mají tuto vlastnost –piezoviskozitu (nárůst viskozity s tlakem) – a jak povrchová drsnost dílů a jejich pružná deformace ovlivňují oddělení dílů ložiska.

Je obtížné studovat chladiva v „kapalném“ stavu při působení vysokého tlaku, což je typické pro elastohydrodynamicky mazané místo styku (tlak odpovídající jednomu až několika GPa). V současné době jsou však již k dispozici studie a měření mazacích vlastností typických chladiv používaných v chladičích [4, 5, 6]. Vlastnosti, jako např. viskozita, piezoviskozita, stlačitelnost, smykové napětí a mezní tření, jsou důležité pro pochopení chování chladiv v elastohydrodynamicky mazaném místě styku.

 

Měření tloušťky filmu
Společnost SKF provedla interferometrické měření tloušťky mazivového filmu pro chladivo R1233zd [7] tribometrem SKF WAM-5 (obr. 3). Měření prokázalo, že chladivo může skutečně vytvořit mazivový film (obr. 4).

Ve spolupráci s SKF provedl také francouzský ústav INSA de Lyon [6] měření tloušťky mazivového filmu tribometrem typu kulička na disku vlastní výroby (s geometrií odlišnou od WAM-5) pro chladivo HCFC-123. Také toto měření ukázalo, že chladivo vytvoří mazivový film (obr. 5).

Jakmile budou známé mazací vlastnosti chladiv [6, 7], lze je zavést do jednoduchých regresních modelů nebo složitých číslicových modelů pro výpočet tloušťky filmu stejně jako pro jakékoli jiné elastohydrodynamicky mazané místo styku (obr. 6).

Obr. 6: Příklad stanovení tloušťky filmu a tlaku číslicovým výpočtem pro konfiguraci kulička na disku z obr. 3 a chladivo HCFC-123 při rychlosti unášení maziva 2 m/s.

Obr. 6: Příklad stanovení tloušťky filmu a tlaku číslicovým výpočtem pro konfiguraci kulička na disku z obr. 3 a chladivo HCFC-123 při rychlosti unášení maziva 2 m/s.

Hybridní kontakt jako vlastnost se zásadním významem
V podmínkách nedostatečného mazání nabízejí hybridní ložiska (ocelové kroužky a valivá tělesa z Si3N4) několik výhod ve srovnání s celoocelovými ložisky [8] především z důvodů nižšího součinitele tření v oblasti mezného mazání a skutečnosti, že při vysokých teplotách vyvolaných třením nedochází v místě styku ke svaření těchto dvou různých materiálů na rozdíl od ocelových dílů. Z toho důvodu již od začátku testovala společnost SKF v podmínkách PRL ložiska v tomto provedení [9]. Jako příklad úspěšného hybridního styku v podmínkách PRL představila studie [7] výsledky měření mezného tření v místě hybridního styku (kulička z Si3N4 a ocelový kotouč z prokalitelné nerezové dusíkaté oceli podle specifikace SKF VC444).

Shrnutí výsledků podává obr. 7.

Obr. 7 (a) ukazuje, že součinitel mezného tření na Stribeckově křivce se rovná pouze 0,07. Tato hodnota je velmi nízká ve srovnání s typickými oleji a stykem typu ocel na ocel (až 0,15).

Obr. 7: (a) Stribeck a (b) trakční křivky chladiva R1233zd

Obr. 7: (a) Stribeck a (b) trakční křivky chladiva R1233zd, keramické kuličky a prokalitelné nerezové dusíkaté oceli podle specifikace SKF VC444 (p=0,94 GPa). Šipky ukazují rychlost unášení maziva (a) a kolísání prokluzu (b).

Průmyslové řešení pro ložiska PRL
Ložiskové řešení pro odstředivé chladiče, které bude spolehlivě pracovat v podmínkách PRL, vychází z vlastních testů, laboratorních experimentů a simulací SKF [9].

Řešením je uložení se sadami párovaných hybridních kuličkových ložisek s kosoúhlým stykem (obr. 8 a 9), přičemž každé ložisko se skládá z následujících dílů:

(1) vnitřní a vnější kroužky z prokalitelné nerezové oceli s vysokým obsahem dusíku podle specifikace SKF VC444 jsou tepelně zpracovány a broušeny a oběžné dráhy jsou superfinišovány postupy vyvinutými SKF. Ocel má nejen neobyčejně dobré protikorozní vlastnosti, ale také mimořádně jemnou mikrostrukturu, což z ní činí vynikající materiál pro valivá ložiska v extrémně náročných aplikacích;
(2) valivá tělesa jsou zhotovena z nitridu křemíku nejvyšší ložiskové kvality (Si3N4) za použití nejnáročnějších defektoskopických postupů SKF. [10];
(3) klec z materiálu PEEK zesíleného skelnými vlákny.

Při realizaci řešení byly použity specializované aplikační znalosti, které se uplatnily při návrhu uložení, způsobu mazání, stupně filtrace, předpětí a tolerancí.

Obr. 8: Hybridní kuličková ložiska s kosoúhlým stykem pro extrémní aplikace (vnitřní a vnější kroužek z oceli podle specifikace SKF VC444, keramické kuličky, klec z materiálu PEEK zesíleného skelnými vlákny).

Obr. 8: Hybridní kuličková ložiska s kosoúhlým stykem pro extrémní aplikace (vnitřní a vnější kroužek z oceli podle specifikace SKF VC444, keramické kuličky, klec z materiálu PEEK zesíleného skelnými vlákny).

První provozní zkoušky bezolejových kompresorů s technologií PRL v chladičích klimatizačních zařízení se uskutečnily již počátkem roku 2000. Chladiče pracovaly spolehlivě a v současné době jsou stále v provozu. Přední výrobce klimatizačních systémů uvedl na trh chladiče s kompresory PRL v roce 2002. Nejprve zavládlo velké nadšení z odstranění olejového mazání i dalších výhod PRL. Zájem ze strany zákazníků však brzy ochladl. Jak se ukázalo, důvodem byl zajímavý jev, který se někdy projevuje v oblasti vývoje výrobků a marketingu. Poptávka je mnohem nižší, protože technologie PRL nemá konkurenci. Situace se změnila, jakmile společnost (Danfoss) Turbocor uvedla na trh bezolejový odstředivý kompresor s magnetickými ložisky. Zanedlouho potom vyvinuli i další výrobci kompresory s magnetickými ložisky. Teprve poté se znovu oživil zájem o PRL jako alternativní bezolejové řešení. Vývoj kompresorů PRL byl opět zahájen a na trh byly uvedeny kompresory s tímto řešením. V současné době je v celosvětovém měřítku o technologii PRL velký zájem.

Na základě vývoje kompresorů zintenzivnila rovněž společnost SKF výzkum a vývoj technologie PRL jak v oblasti čistě vědeckého výzkumu tribologie, tak i v oblasti vývoje ložiskových aplikací.

Obr. 9: 3D zobrazení uložení

Obr. 9: 3D zobrazení uložení

Odkazy
[1] Wallin, H.H., Morales-Espejel, G.E., “Hybrid Bearings in Oil-Free Air Conditioning and Refrigeration Compressors” SKF Evolution, No. 2 2002, pp. 28-30. http://evolution.skf.com/hybrid-bearings-in-oil-free-air-conditioning-and-refrigeration-compressors/
[2] Pandy, D.R., Brondum, D., “Innovative, Small, High-Speed Compressor Technologies”, in Proceedings of the International Compressor Engineering Conference, Purdue University, paper 1358, pp. 913-918, 1996. http://docs.lib.purdue.edu/icec/1358/
[3] Lugt, P.M., Morales-Espejel, G.E., “A Review of Elasto-Hydrodynamic Lubrication Theory”, Tribology Transactions, 54, pp. 470-496, 2011.
[4] Jacobson, B.O., Morales-Espejel, G.E., “High Pressure Investigation of Refrigerants HFC245fa, R134a and R123”, in Proceedings of the International Compressor Engineering Conference, Purdue University, paper 1789, pp. 1-8, 2006.
http://docs.lib.purdue.edu/cgi/viewcon tent.cgi?article=2788&context=icec
[5] Laesecke A., Bair S. “High-pressure viscosity measurements of 1,1,1,2-tetrafluoroethane”. Int. J. Thermophysics, 32, pp. 925–941, 2011.
[6] Vergne, P., Fillot, N., Bouscharain, N., Devaux, N., Morales-Espejel, G.E., “An Experimental and Modeling Assessment of the HCFC-R123 Refrigerant Capabilities for Lubricating Rolling EHD Circular Contacts”, Proc IMechE, Part J, J. of Eng. Tribology, vol. 229(8), pp. 950-961, 2015.
[7] Morales-Espejel, G.E., Meeuwenoord, R., Félix Quiñonez, A., Hauleitner, R., “Film Thickness and Traction Measurements of Refrigerant R1233zd Used as Lubricant in Elastohydrodynamic Conditions”, Proc IMechE, Part C, J. of Eng. Tribology, vol. 229(2), pp. 244-253, 2014.
[8] Brizmer, V., Gabelli, A., Vieillard, C., Morales-Espejel, G.E., “An Experimental and Theoretical Study of Hybrid Bearing Micropitting Performance under Reduced Lubrication”, Tribology Transactions, 58, pp. 829-835, 2015.
[9] Morales-Espejel, G.E., Gabelli, A., Vieillard, C. “Hybrid Bearings Lubricated with Pure Refrigerants”. In: SRM, Technical Screw Compressor Conference, Stockholm, 4–7 September, 2001.
[10] Schöppl, O., “Developments in ceramic bearing balls”, SKF Evolution, No. 1.2012, pp. 25-29. http://evolution.skf.com/devel opments-in-ceramic-bearing-balls/

Související obsah