Tecnologia PRL nei compressori centrifughi oil-free

Tecnologia PRL nei compressori centrifughi oil-free

Nei condizionatori d’aria di grossi edifici o in alcuni processi industriali si usano i chiller o refrigeratori. Nel ciclo frigorifero dei tipi più grandi si usano compressori centrifughi dotati di cuscinetti idrodinamici che tradizionalmente sono lubrificati con olio. SKF ha realizzato una serie di cuscinetti volventi che utilizzano lo stesso refrigerante come lubrificante.

Autori:
Guillermo E. Morales-Espejel, Principal scientist, SKF Engineering and Research Centre, Nieuwegein, Olanda
Rudolf Hauleitner, Project manager, SKF Development Office, Steyr, Austria
Hans H. Wallin, Strategic technical manager compressors SKF USA Lansdale, Pennsylvania, USA

Lubrificanti Macchine e attrezzature

Sintesi

1. Nel corso degli anni SKF ha sviluppato una soluzione PRL per i cuscinetti volventi, disponibile per l’impiego in applicazioni lubrificate con refrigeranti, quali i compressori oil-free.

2. La soluzione è il frutto di un’attenta scelta di materiali, disegno e qualità, supportata da esperimenti di laboratorio e prove pratiche.

3. Man mano che nuovi refrigeranti vengono introdotti sul mercato, SKF ne studia le caratteristiche e l’impatto sulla tribologia dei cuscinetti e propone la tecnologia PRL per un’efficiente implementazione delle applicazioni sui compressori.

Negli anni ’90 i ricercatori dell’SKF Engineering and Research Centre hanno iniziato a svolgere indagini sugli effetti della diluizione degli oli lubrificanti ad opera dei refrigeranti, studiandone gli effetti sulle prestazioni dei cuscinetti volventi interamente in acciaio; questi iniziavano a mostrare segni di lubrificazione insufficiente con livelli di diluizione del 20-30 %. L’attenzione è stata poi rivolta verso cuscinetti di tipo e materiale diverso per migliorarne prestazioni e durata in presenza di scarsa lubrificazione. Dopo che dagli studi sui cuscinetti ibridi, dotati di anelli in acciaio e sfere in nitruro di silicio (Si3N4), era apparsa chiara la difficoltà nel trovare un limite al rapporto di diluizione, nel 1996, nel corso di prove di fattibilità, è stato constatato come cuscinetti ibridi lubrificati con il solo refrigerante – quindi in completa assenza di olio – si comportassero in modo eccellente. Si trattò di un risultato importante, che offriva l’opportunità di lubrificare cuscinetti volventi speciali in un modo non tradizionale. Da allora le ricerche e gli sviluppi applicativi sono continuati e hanno dato vita a varie soluzioni costruttive che consentono durate di funzionamento estese.

 

Fig. 1: Compressore centrifugo con due rotori per refrigeratore.

Fig. 1: Compressore centrifugo con due rotori per refrigeratore.

Nelle analisi seguenti è stato scoperto che i refrigeranti sono in grado di formare un film lubrificante elastoidrodinamico, per il fatto che, al pari degli oli, la loro viscosità aumenta all’aumentare della pressione che si genera nelle zone di contatto tra i corpi volventi e le piste dei cuscinetti. Si tratta di un aumento non così significativo come quello riscontrabile con gli oli, ma sufficiente a produrre un sottilissimo film lubrificante. Nei cuscinetti tradizionali interamente in acciaio tale film non sarebbe sufficiente, ma combinando acciaio e ceramica e sfruttando le proprietà dei nuovi cuscinetti ibridi, è possibile ottenere un buon funzionamento. In precedenza non si pensava che l’uso dei refrigeranti come lubrificanti fosse consigliabile, a causa della viscosità molto bassa della maggior parte di essi.

Alla tecnologia che prevede l’impiego di cuscinetti volventi speciali usando come lubrificante il solo refrigerante è stato dato il nome di Pure Refrigerant Lubrication (PRL). La PRL rientra in un programma più ampio SKF, dedicato ai fluidi con viscosità bassissima (Ultra-Low Viscosity Fluid, ULVF), da usare per lubrificare i cuscinetti volventi (ad es. carburanti, acqua, combustibili per razzi o gas liquefatti). SKF è in possesso di molti brevetti che riguardano sia la PRL sia gli ULVF.

 

Fig. 2: Sistema di cuscinetti di un compressore centrifugo per refrigeratori, con due rotori.

Fig. 2: Sistema di cuscinetti di un compressore centrifugo per refrigeratori, con due rotori.

Cuscinetti PRL per compressori centrifughi
Un’interessante applicazione dei cuscinetti lubrificati con refrigerante sono i chiller o refrigeratori [1]. Impiegati nei grossi impianti di condizionamento aria e in alcuni processi industriali, usano il refrigerante in un ciclo di compressione del vapore per raffreddare acqua, a sua volta impiegata come agente di raffreddamento. I chiller di grande capacità, che impiegano anche più di 300 TR (TR, ton of ­refrigeration) sono normalmente muniti di compressori centrifughi. Di solito è sufficiente un compressore per impianto dotato di uno o più rotori (fig. 1), la cui velocità di rotazione è determinata da quella periferica richiesta e dipende dalle dimensioni del compressore, dalla sua capacità e dal tipo di refrigerante usato. Compressori per refrigeranti a bassa pressione girano a velocità inferiori rispetto a quelli per pressioni medio-alte. A causa della presenza dei refrigeranti, anche con una lubrificazione a olio, le condizioni di lavoro dei cuscinetti sono difficili, in particolare di quelli dell’albero dei rotori, con conseguenti criticità per quanto riguarda le prestazioni e il rendimento della macchina.

Finora i compressori sono stati per lo più muniti di cuscinetti idrodinamici che richiedono grandi quantità di olio in circolazione e si servono di speciali dispositivi per separare l’olio che si mescola con i refrigeranti. Dato che questi ultimi sono normalmente solventi eccellenti, è difficile evitare la diluizione dell’olio. I cuscinetti volventi lubrificati a olio richiedono minori portate di lubrificante e presentano un minore attrito, ma richiedono anch’essi dispositivi di separazione.

In questo contesto l’adozione della tecnologia PRL è piuttosto attraente [2] (figg. 1 e 2). Operare senza olio ha anche altri vantaggi: non c’è necessità di manutenzione dell’olio stesso né del suo smaltimento, non c’è rischio che si raccolga nell’evaporatore e non occorre un riscaldatore, mentre, nei refrigeratori raffreddati ad aria, non c’è rischio di contaminazione del suolo in caso di rottura accidentale di un tubo.

 

Fig. 3: Disposizione dei particolari per la misurazione dello spessore del film nel tribometro SKF WAM-5.

Fig. 3: Disposizione dei particolari per la misurazione dello spessore del film nel tribometro SKF WAM-5.

Proprietà lubrificanti dei refrigeranti
Uno dei principali compiti del lavoro di sviluppo della tecnologia PRL è stato quello di comprendere fino a che punto un refrigerante è in grado di formare, al pari dell’olio, un film lubrificante nei contatti di rotolamento fortemente caricati. I cuscinetti volventi sono normalmente lubrificati grazie a un meccanismo di lubrificazione elastoidrodinamica (EHL) [3]. In altre parole, nei contatti fortemente caricati dei cuscinetti volventi, la viscosità del lubrificante aumenta all’aumentare della pressione, nello stesso momento in cui avviene una deformazione elastica dei corpi metallici in contatto da lubrificare. In una situazione di normale lubrificazione a olio i due meccanismi sono responsabili della formazione di un film lubrificante dello spessore di uno o più micron in condizioni EHL, capace di separare i corpi in contatto. Però fino a poco tempo fa non si sapeva se alcuni dei refrigeranti usati impiegati avessero la proprietà di aumentare la viscosità con la pressione (piezo-viscosità) e di quanto la rugosità dei corpi e la loro deformazione elastica influisse sulla separazione delle superfici.

Anche se è difficile studiare i refrigeranti allo stato “liquido” viste le alte pressioni tipiche dei contatti EHL (uno o più GPa di pressione), si stanno diffondendo studi e misurazioni delle proprietà lubrificanti dei normali refrigeranti dei chiller [4, 5, 6]. Proprietà quali viscosità, piezo-viscosità, comprimibilità, sollecitazioni al taglio e attrito limite sono elementi importanti per studiare il comportamento dei refrigeranti in un contatto EHL.

 

Misurazione dello spessore del film
Sfruttando la tecnica interferometrica del tribometro SKF WAM-5, alla SKF sono state eseguite misurazioni dello spessore del film del refrigerante tipo R1233zd [7] (fig. 3), constatando che effettivamente in quest’ultimo si può formare un film lubrificante (fig. 4).

In collaborazione con la SKF, anche l’INSA de Lyon [6] ha eseguito misurazioni dello spessore del film del refrigerante HCFC-123, su un tribometro sfera su disco di propria costruzione (con una geometria diversa da quella del WAM-5), rilevando l’effettiva formazione di un film lubrificante (fig. 5).

Una volta note, le proprietà lubrificanti dei refrigeranti [6, 7] si possono inserire in semplici modelli di regressione o in sofisticati modelli numerici per il calcolo dello spessore come per ogni altro contatto EHL (fig. 6).

Fig. 6: Esempio di calcolo numerico dello spessore del film e della pressione per la configurazione sfera-disco

Fig. 6: Esempio di calcolo numerico dello spessore del film e della pressione per la configurazione sfera-disco di fig. 3 per il refrigerante HCFC-123, con una velocità di trascinamento di 2 m/s.

Il contatto ibrido: caratteristica essenziale
In condizioni di scarsa lubrificazione, i cuscinetti ibridi (anelli in acciaio e corpi volventi in Si3N4) hanno molti vantaggi rispetto ai tipi interamente in acciaio [8], grazie al coefficiente d’attrito limite intrinsecamente inferiore e al fatto che i due materiali diversi non si saldano tra loro alle alte temperature generate, come avviene nei contatti acciaio-su acciaio. Per questo motivo la SKF fin dall’inizio ha scelto questa configurazione per impostare la tecnologia PRL [9]. A dimostrazione della validità dei contatti ibridi in condizioni di PRL in [7] sono stati pubblicati i risultati delle misurazioni dell’attrito limite in un contatto ibrido (sfera in Si3N4 e disco in acciaio inossidabile a tutta tempra, nitrurato, secondo la specifica SKF VC444). I risultati sono sintetizzati in fig. 7.

Dalla fig. 7 (a sin.) si può osservare che nella curva di Stribeck il coefficiente di attrito limite è solo 0,07, un valore molto basso rispetto a quello riscontrabile nei contatti acciaio su acciaio in presenza di olio, che raggiunge lo 0,15.

Fig. 7: Curve di Stribeck (a sin.) e di trazione (a destra) per il refrigerante R1233zd, sfera in ceramica e acciaio inossidabile a tutta tempra nitrurato secondo la specifica SKF VC444 (p=0,94 GPa). Le frecce indicano la velocità di trascinamento (a sin.) e lo scorrimento in su e in giù (a destra).

Fig. 7: Curve di Stribeck (a sin.) e di trazione (a destra) per il refrigerante R1233zd, sfera in ceramica e acciaio inossidabile a tutta tempra nitrurato secondo la specifica SKF VC444 (p=0,94 GPa). Le frecce indicano la velocità di trascinamento (a sin.) e lo scorrimento in su e in giù (a destra).

La soluzione industriale PRL per i cuscinetti
Dopo una serie di prove, esperimenti di laboratorio e simulazioni, SKF ha sviluppato per i cuscinetti dei refrigeratori centrifughi una soluzione valida nelle condizioni PRL [9].

Si tratta di un sistema costituito da gruppi di cuscinetti obliqui a sfere ibridi (figg. 8 e 9), ciascuno dei quali è costituito da:

(1) anello interno ed esterno in acciaio inossidabile a tutta tempra, ad alta nitrurazione, secondo la specifica SKF VC444, con trattamento termico e superfinitura delle piste sviluppati da SKF. L’acciaio non solo presenta ottime proprietà anti-corrosione, ma anche una microstruttura super fine che lo rende eccellente per queste applicazioni assai difficili;
(2) corpi volventi in nitruro di silicio (Si3N4), della massima qualità per cuscinetti, sottoposto a procedure molto restrittive di ispezione dei difetti [10];
(3) una gabbia in PEEK rinforzato con fibre.

Quanto sopra è supportato dall’esperienza degli ingegneri dell’applicazione che hanno il compito di definire sistemazione dei cuscinetti, metodi di lubrificazione, grado di filtrazione, precarichi e tolleranze.

Fig. 8: Cuscinetto obliquo a sfere ibrido per applicazioni molto gravose

Fig. 8: Cuscinetto obliquo a sfere ibrido per applicazioni molto gravose (anello interno ed esterno secondo la specifica SKF VC444, sfere in ceramica, gabbia in PEEK rinforzata con fibre).

Le prime prove sul campo con compressori a tecnologia PRL usati su refrigeratori oil-free per aria condizionata sono iniziate nei primi anni 2000; le macchine hanno lavorato bene e sono tuttora in esercizio. Nel 2002 un’importante azienda di condizionatori aveva lanciato sul mercato refrigeratori con compressori a tecnologia PRL. Dopo un iniziale grande entusiasmo suscitato dall’eliminazione dell’olio e dai vantaggi offerti dalla PRL, ci fu una diminuzione di interesse da parte dei clienti. Il motivo è legato a fenomeni che talvolta si riscontrano quando si sviluppa un prodotto e lo si immette sul mercato. La diminuzione di domanda era dovuta alla mancanza di competizione nella tecnologia PRL. La situazione cambiò quando (Danfoss) Turbocor lanciò compressori oil-free montati su cuscinetti magnetici. Presto altri costruttori realizzarono compressori di tale tipo e allora si ebbe un rinnovato interesse nella PRL come soluzione alternativa senza olio. Lo sviluppo e il lancio sul mercato dei compressori PRL riprese e, oggi a livello globale, c’è un notevole interesse in questa tecnologia.

Parallelamente allo sviluppo dei compressori da parte dei costruttori, SKF ha intensificato le ricerca e lo sviluppo della tecnologia PRL, sia dal punto di vista della ricerca scientifica sia dal punto di vista di studio delle applicazioni pratiche dei cuscinetti.

Fig. 9: Vista 3D del sistema di cuscinetti.

Fig. 9: Vista 3D del sistema di cuscinetti.

Bibliografia
[1] Wallin, H.H., Morales-Espejel, G.E., “Cuscinetti ibridi nei compressori senza olio per condizionatori e refrigeratori” SKF Evolution, No. 2 2002, pagg. 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, pagg. 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., “Sviluppi nelle sfere in ceramica per cuscinetti”, SKF Evolution, No. 1.2012, pagg. 25-29. http://evolution.skf.com/developments-in-ceramic-bear ing-balls/

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