Kältemittelschmierung in ölfreien Radialverdichtern

Immer schön kühl bleiben

Bei der Klimatisierung großer Gebäude und in verschiedenen industriellen Prozessen wird das für die Kühlung benötigte kalte Wasser von Kältemaschinen bereitgestellt. Im Kältezyklus großer Kühlanlagen werden Radial­verdichter eingesetzt. Üblicherweise dienen dort ölgeschmierte hydrodynamische Lager zum Abstützen der Verdichterwelle. SKF hat jetzt eine Wälzlagerreihe entwickelt, bei der das Kältemittel zur Schmierung verwendet werden kann.

Autoren:
Guillermo E. Morales-Espejel, Chef-Wissenschaftler, SKF Forschungs- und Entwicklungszentrum (ERC), Nieuwegein, Niederlande
Rudolf Hauleitner, Projektmanager, SKF Development Office, Steyr, Österreich
Hans H. Wallin, Strategic Technical Manager Compressors, SKF USA, Lansdale, US-Bundesstaat Pennsylvania

Schmierstoffe Maschinen und Anlagen

Zusammenfassung

1. Im Laufe der Jahre hat SKF eine Lösung mit kältemittelgeschmierten Wälzlagern entwickelt, die in Anwendungen mit niedrigviskosen Flüssigkeiten wie beispielsweise ölfreien Verdichtern eingesetzt werden kann.

2. Diese Lösung basiert auf einer sorgfältigen Auswahl von Werkstoffen, Konstruktion und Qualität sowie auf umfangreichen Laborversuchen und eingehenden Prüfungen.

3. Wenn neue Kältemittel auf den Markt kommen, untersucht SKF ihre Eigenschaften und ihren Einfluss auf die tribologischen Lagerbedingungen und passt die Kältemittelschmierung im Hinblick auf einen effizienten Einsatz in Verdichteranwendungen an.

In den 1990er-Jahren haben Wissenschaftler des SKF Forschungs- und Entwicklungszentrums die Verdünnung von Schmierölen mit Kältemitteln untersucht und deren Auswirkungen auf die Lagerbetriebseigenschaften und Lager­lebensdauer erforscht. Hintergrund: Bei Radial­verdichtern lässt sich eine Vermischung des Schmieröls mit dem Kältemittel kaum verhindern. Umso wichtiger ist es, zu verstehen, wie die Leistungsfähigkeit von Wälzlagern durch die Verdünnung beeinträchtigt wird. Dabei wurde festgestellt, dass herkömmliche Stahllager bei einer Verdünnung von 20 % bis 30 % erste Anzeichen von unzureichender Schmierung zeigten. So begann man, alternative Lager­ausführungen und -werkstoffe zu untersuchen, um den Betrieb und die Gebrauchsdauer von Lagern unter diesen extremen Schmierbedingungen zu verbessern. Dabei stellte sich heraus, dass Hybrid­lager, die Lagerringe aus Stahl und Keramikkugeln aus lagergeeignetem Siliziumnitrid (Si3N4) besitzen, gegenüber dem Verdünnungsgrad äußerst unempfindlich sind. 1996 schließlich wurden die Hybridlager testweise ausschließlich im Kältemittel (also komplett ohne Öl) betrieben. Nach dem Machbarkeitstest wurde festgestellt, dass sie wie neu waren. Dieses Prüfergebnis war ausschlaggebend für das anschließende Bestreben, das Kältemittel selbst als Schmierstoff bei speziellen Wälzlagern einzusetzen. Seither sind aus weiteren, anwendungsspezifischen Forschungs- und Entwicklungsprojekten verschiedene zusätzliche Produktmerkmale hervorgegangen, die einen zuverlässigen Langzeitbetrieb ermöglichen.

 

Bild 1: Kompressionskältemaschine mit Radialverdichter und zwei drehenden Laufrädern

Bild 1: Kompressionskältemaschine mit Radialverdichter und zwei drehenden Laufrädern

In den diesbezüglichen analytischen Untersuchungen fand man heraus, dass Kältemittel tatsächlich einen elastohydrodynamischen Schmierfilm bilden können. Dies ist möglich, weil die Viskosität von Kältemitteln – genau wie bei Schmierölen – unter sehr hohen Drücken, wie sie in den Kontaktbereichen zwischen den Wälzkörpern und den Lagerlaufbahnen entstehen, zunimmt. Dies geschieht zwar nicht im gleichen Maß wie bei Schmierölen, aber es reicht aus, um einen sehr dünnen Schmierfilm auszubilden. Dieser wäre bei herkömmlichen Stahllagern nicht ausreichend, während die Keramik-/Stahl-Werkstoffkombination und andere Merkmale der neu entwickelten Hybridlager damit einen zuverlässigen Betrieb ermöglichen. Dabei hatte man es in Anbetracht der sehr geringen Viskosität der meisten Kältemittel zuvor gar nicht für möglich gehalten, Kältemittel auch als Schmierstoff ein­zusetzen.

In der Entwicklung von speziellen Wälzlagern, die einwandfrei alleine mit Kältemittel als Schmierstoff betrieben werden können, spricht man von „Kältemittelschmierung“ („Pure Refrigerant Lubrication“, abgekürzt PRL). PRL steht für einen bestimmten Teil eines umfangreichen SKF Programms, das extrem niedrigviskose Fluide (ULVF) zur Schmierung von Wälzlagern umfasst (z. B. Kraftstoffe, Wasser, Raketentreibstoffe oder Flüssiggase). SKF besitzt mehrere Patente auf den Gebieten PRL und ULVF.

 

Bild 2: Wälzlagerung für eine Kältemaschine mit zwei Radialverdichter-Laufrädern.

Bild 2: Wälzlagerung für eine Kältemaschine mit zwei Radialverdichter-Laufrädern.

Kältemittelgeschmierte Lager in Radialverdichtern
Ein Anwendungsbereich von kältemittelgeschmierten Lagern sind Kompressionskältemaschinen [1] in großen Klimaanlagen und Industrieprozessen. Hier wird ein Kältemittel in einem thermodynamischen Kreisprozess zur Kühlung von Wasser eingesetzt, das als Kühlmedium in einem industriellen Prozess oder zur Klimatisierung eines Gebäudes verwendet wird. In Hochleistungskühlanlagen mit mehr als 300 Tonnen Kühlleistung* sind üblicherweise Radialverdichter verbaut. Normalerweise ist jede Kältemaschine mit einem Verdichter ausgestattet. Radialverdichter haben ein oder mehrere Laufräder (Bild 1), deren Drehzahl von der erforderlichen Laufrad-Umfangsgeschwindigkeit bestimmt wird und von der Größe und Leistung des Verdichters sowie der Art des verwendeten Kältemittels abhängig ist. Verdichter mit Niederdruckkältemitteln drehen sich mit niedrigeren Drehzahlen als Verdichter, die mit Mittel- oder Hochdruckkältemitteln arbeiten. Selbst bei Ölschmierung sind die Betriebsbedingungen von Wälzlagern in Verdichtern aufgrund der vorhandenen Kältemittel schmierungstechnisch eine Herausforderung. Die Leistung und Effizienz eines Verdichters werden von den Lagern des Rotors entscheidend beeinflusst.

Bei herkömmlichen Ausführungen von Verdichtern werden hydrodynamische Lager eingesetzt, bei denen eine große Menge Öl zur Schmierung umläuft und Ölabscheider das Öl vom Kältemittel separieren, damit das Öl zur Schmierung der Lager verwendet werden kann. Da Kältemittel normalerweise sehr gute Lösemittel sind, lässt sich eine Verdünnung des Öls durch das Kältemittel nur schwer vermeiden. Ölgeschmierte Wälzlager benötigen zwar einen geringeren Ölfluss und haben zudem ein geringeres Reibmoment als hydrodynamische, aber auch hier sind Ölabscheider zur Reduzierung der Verdünnung des Kältemittels im Öl erforderlich.

Somit ist die Kältemittelschmierung in diesem Fall sehr attraktiv [2] (Bild 1 und 2). Der ölfreie Betrieb bietet aber auch noch weitere Vorteile: Ölwechsel sind nicht erforderlich; es gibt kein Altöl, das abgeführt werden muss; es besteht kein Risiko, dass sich Öl im Verdampfer sammelt; es wird keine Heizung benötigt; und bei luftgekühlten Kühlanlagen besteht auch keine Bodenkontaminationsgefahr bei Leitungsbruch.

 

Bild 3: Kontaktanordnung zur Filmdickenmessung im SKF WAM-5-Tribometer.

Bild 3: Kontaktanordnung zur Filmdickenmessung im SKF WAM-5-Tribometer.

Schmiereigenschaften von Kältemitteln
Das Wissen über das Ausmaß, in dem ein Kältemittel – vergleichbar mit Schmieröl – einen Schmierfilm in einem hoch belasteten Wälzkontakt bilden kann, hat einen Durchbruch in der Kältemittelschmierung herbeigeführt. Bei Wälzlagern erfolgt die Schmierung durch den elastohydrodynamischen (EHD) Schmiermechanismus [3]. Da Wälzlager mit hoch belasteten Kontakten betrieben werden, zeigt sich beim Schmierstoff bei zunehmendem Druck ein Viskositätsanstieg. Gleichzeitig verformen sich die Kontaktkörper elastisch, um einen Schmierspalt zu bilden. Diese beiden Mechanismen sorgen für den Aufbau eines dünnen Schmierfilms mit einer Dicke von einem bis wenigen Mikrometern unter EHD-Bedingungen. Er kann die sich berührenden Körper in einer normalen ölgeschmierten Umgebung trennen. Allerdings war bis vor kurzem nicht bekannt, ob es Kältemittel gibt, die diese Eigenschaft der „Piezoviskosität“, d. h. Viskositätsanstieg bei Druckerhöhung, besitzen, und inwieweit die Rauheit der Oberflächen und deren elastische Verformung die Trennung beeinflussen.

Kältemittel lassen sich im „flüssigen“ Zustand unter hohem Druck (ein oder mehrere GPa), wie dies üblicherweise in EHD-Kontakten der Fall ist, schwer untersuchen. Heute gibt es jedoch immer mehr Untersuchungen und Messungen der Schmiereigenschaften von normalerweise in Kühlanlagen verwendeten Kältemitteln [4, 5, 6]. Dabei sind Eigenschaften wie Viskosität, Piezoviskosität, Kompressibilität, Schubspannung und Grenzreibung wichtig, um das Verhalten eines Kältemittels in einem EHD-Kontakt zu verstehen.

 

Filmdickenmessungen
Mit Hilfe der Interferometrie und des SKF WAM-5-Tribometers (Bild 3) wurden bei SKF Filmdickenmessungen mit dem Kältemittel R1233zd durchgeführt [7]. Mit diesem Aufbau wurde nachgewiesen, dass dieses Kältemittel tatsächlich einen Schmierfilm mit einer gewissen Dicke bilden kann (Bild 4).

Das Institut National des Sciences Appliquées (INSA) in Lyon (Frankreich) [6] hat in Zusammenarbeit mit SKF ebenfalls Filmdickenmessungen mit einem selbstentwickelten Kugel-Scheibe-Tribometer (mit einer vom WAM-5 abweichenden Geometrie) unter Verwendung des Kältemittels HCFC-123 durchgeführt. Sie bestätigten dass dieses Kältemittel einen Schmierfilm bildet (Bild 5).

Sobald die Schmiereigenschaften von Kältemitteln bekannt sind [6, 7], können diese wie bei anderen EHD-Kontakten in einfache Regressionsmodelle oder komplexe numerische Modelle zur Filmdickenberechnung einbezogen werden (Bild 6).

Bild 6: Beispiel einer numerischen Filmdicken- und Druckberechnung für die Kugel-Scheibe-Anordnung

Bild 6: Beispiel einer numerischen Filmdicken- und Druckberechnung für die Kugel-Scheibe-Anordnung in Bild 3 unter Verwendung des Kältemittels HCFC-123 bei einer Geschwindigkeit im Wälzpunkt von 2 m/s.

Der Hybridkontakt als wesentliches Merkmal
Bei Mangelschmierung haben Hybridlager (Stahlringe und Siliziumnitrid-Wälzkörper) etliche Vorteile gegenüber Stahllagern [8], insbesondere aufgrund ihres von Natur aus niedrigeren Grenzreibungskoeffizienten und der Tatsache, dass diese beiden unterschiedlichen Werkstoffe im Gegensatz zu Stahl-Stahl-Kontakten bei hoher Reibungswärme nicht miteinander verschweißen. Daher hat SKF von Beginn an diese Lagerausführung für PRL-Bedingungen empfohlen [9]. Als Beispiel für den erfolgreichen Einsatz von Hybridkontakten unter PRL-Bedingungen dienen die Messergebnisse von Fußnote 7; hier wird die bei einem Hybridkontakt (Siliziumnitrid-Kugel und Stahlscheibe aus einem durchgehärteten, nicht rostenden Stickstoffstahl gemäß SKF Spezifikation VC444) gemessene Grenzreibung veröffentlicht.

Die Messergebnisse werden in Bild 7 zusammengefasst dargestellt.

Aus Bild 7 (links) ist ersichtlich, dass der Grenzreibungskoeffizient der Stribeck-Kurve lediglich 0,07 beträgt; dieser Wert ist im Vergleich zu üblichen Schmierölen und Stahl-Stahl-Kontakten (bis zu 0,15) sehr niedrig.

Bild 7: Stribeckkurve (links) und Traktionskurve (rechts) für das Kältemittel R1233zd

Bild 7: Stribeckkurve (links) und Traktionskurve (rechts) für das Kältemittel R1233zd, eine Keramikkugel und einen durchgehärteten, nicht rostenden Stickstoffstahl gemäß SKF Spezifikation VC444 (p = 0,94 GPa). Die Pfeile zeigen die Geschwindigkeit im Wälzpunkt (links) und den Schlupf oben und unten (rechts) beim Hoch- und Runterfahren.

Die industrielle Lagerlösung mit Kältemittelschmierung
In zahlreichen eigenen Prüfungen, Laborversuchen und Simulationen [9] hat SKF eine unter PRL-Bedingungen zuverlässig funktionierende industrielle Lagerlösung entwickelt.

Die Lösung ist eine Lagerung aus gepaarten Sätzen von Hybrid-Schrägkugellagern (Bild 8 und 9), wobei jedes Lager folgende Bestandteile aufweist:

1) Innen- und Außenringe aus einem rostfreien Wälzlagerstahl mit hohem Stickstoffanteil gemäß SKF Spezifikation VC444 mit in selbstentwickelten Prozessen wärmebehandelten und feinst bearbeiteten Laufbahnen. Dieser Stahl zeichnet sich nicht nur durch sehr gute Korrosionsschutzeigenschaften, sondern auch durch ein sehr feines Gefüge aus und ist daher ein ausgezeichnetes Wälzlagermaterial für solch extreme Anwendungs­bedingungen.
2) Wälzkörper aus für Wälzlager geeignetem hochwertigsten Siliziumnitrid (Si3N4), die die strengsten SKF Fehlererkennungsverfahren durchlaufen [10].
3) Ein Käfig aus faserverstärktem PEEK-Material.

Unterstützend hierzu gibt es noch den technischen Beratungsservice durch SKF Experten, die bei der Bestimmung von Lagerungen, Schmierverfahren, Filtergrad, Vorspannung und Toleranzen helfen.

Bild 8: Hybrid-Schrägkugellager für extreme Einsatzbedingungen (Innen- und Außenringe gemäß SKF Spezifikation VC444, Keramikkugeln, faserverstärkter PEEK-Käfig).

Bild 8: Hybrid-Schrägkugellager für extreme Einsatzbedingungen (Innen- und Außenringe gemäß SKF Spezifikation VC444, Keramikkugeln, faserverstärkter PEEK-Käfig).

Der erste Feldversuch mit Verdichtern und integrierter Kältemittelschmierung in ölfreien Kühlanlagen zur Klimatisierung wurde Anfang der 2000er-Jahre durchgeführt; die Kühlanlagen funktionierten gut und sind noch heute in Betrieb. 2002 brachte ein führendes Klimatechnik-Unternehmen Kühlanlagen mit kältemittelgeschmierten Wälz­lagern im Verdichter auf den Markt. Zuerst war die Begeisterung ob der Ölfreiheit und der Vorteile der Kältemittelschmierung groß, aber das Interesse der Kunden erlahmte bald. Es stellte sich heraus, dass der Grund dafür ein interessantes Phänomen war, das sich manchmal in der Produktentwicklung und im Marketing zeigt: Die Nachfrage ließ nach, weil es keinen Wettbewerb bei der Kältemittelschmierung gab. Die Situation änderte sich erst, als (Danfoss) Turbocor Radialverdichter mit Magnetlagern entwickelte, die kein Öl benötigten. Bald darauf entwickelten auch andere Kompressorenhersteller Verdichter mit Magnetlagern, und das Interesse an der Kältemittelschmierung als ölfreier Alternativlösung erwachte erneut. Die Entwicklung von kältemittelgeschmierten Wälzlagern im Verdichter wurde wieder aufgenommen, und diese Verdichter wurden in den Markt eingeführt. Heutzutage besteht weltweit großes Interesse an der Kältemittelschmierung.

Parallel zur Entwicklung von Verdichtern durch Kompressorenhersteller hat SKF ihre Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten im Bereich der Kältemittelschmierung intensiviert. Das gilt nicht nur für wissenschaftliche Ansätze auf dem Gebiet der Tribologie, sondern auch in Bezug auf die konkrete, anwendungstechnische Entwicklung von Wälzlagern.

* „Tonnen Kühlleistung“ ist eine gebräuchliche Angabe der Leistung von industriellen Kälteanlagen.

Bild 9: 3D-Ansicht der Lagerung.

Bild 9: 3D-Ansicht der Lagerung.

Literatur
[1] Wallin, H.H., Morales-Espejel, G.E., „Hybrid Bearings in Oil-Free Air Conditioning and Refrigeration Compressors” SKF Evolution, Nr. 2 2002, S. 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, S. 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, S. 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, S. 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, S. 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), S. 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), S. 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, S. 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, Nr. 1.2012, S. 25-29. http://evolution.skf.com/de/entwicklung-von-keramischen-walz ­lagerkugeln/

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