Ren köldmediumsmörjning i oljefria centrifugalkompressorer

Kylande smörjning

I klimatsystem för stora byggnader och i vissa industriella processer finns kylaggregat som producerar kallt vatten för kylning. I stora kylaggregat ingår centrifugal­kompressorer i kylcykeln. Traditionellt sett har kompressoraxeln burits av oljesmorda hydrodynamiska lager. Nu har SKF utvecklat en serie rullningslager som kan använda själva kylmedlet för smörjning.

Författare:
Guillermo E. Morales-Espejel, chefsforskare, SKF Engineering & Research Centre, Nieuwegein, Nederländerna
Rudolf Hauleitner, projektledare, SKF Development Office, Steyr, Österrike
Hans H Wallin, strategisk teknisk chef, Compressors, Landsdale, USA

Smörjmedel Maskiner och inventarier

Sammandrag

1. Under årens lopp har SKF utvecklat en lösning för PRL-rullningslager som kan användas i köld­mediumsmorda applikationer, som oljefria kompressorer.

2. Lösningen har uppnåtts genom ett noggrant val av material, konstruktion och kvalitet, tillsammans med laboratorieexperiment och testarbete.

3. När nya köldmedier lanseras på marknaden undersöker SKF deras egenskaper och påverkan på lagertribologi, och utnyttjar PRL-teknik för att köldmedierna ska kunna användas effektivt i kompressorapplikationer.

Forskare vid SKF Engineering and Research Centre undersökte på 1990-talet utspädning av smörjoljor med köldmedier och konsekvenserna av detta för lagers prestanda och livslängd. I kylkompressorer är det svårt att undvika att oljan späds ut av köldmediet, och det är viktigt att förstå hur spädningen påverkar rullningslagrens prestanda. Det visade sig att konventionella helstålslager uppvisade tecken på bristande smörjning vid utspädningsnivåer på 20 till 30 procent. Därför började man undersöka alternativa lagerkonstruktioner och material för att förbättra lagrens driftegenskaper och öka deras brukbarhetstid under bristfälliga smörjförhållanden. Det visade sig svårt att hitta en gräns för hur mycket oljan kunde tillåtas bli utspädd i hybridlager med stålringar och keramiska kulor av kiselnitrid (Si3N4) av lagerkvalitet. 1996 testade man slutligen att låta hybridlager arbeta i ett rent köldmedium, utan en droppe olja. Efter avslutad provdrift var lagren fortfarande som nya. Detta var ett viktigt testresultat som öppnade för möjligheten att använda köldmedium som smörjmedel för speciella rullningslager. Sedan dess har forskning och applikationsutveckling fortsatt och har lett till flera nya produktegenskaper som gynnar tillförlitlig drift under lång tid.

 

Fig. 1: Centrifugalkompressorbaserat kylaggregat med två roterande löphjul.

Fig. 1: Centrifugalkompressorbaserat kylaggregat med två roterande löphjul.

I de analytiska studier som följde visade det sig att köldmedier faktiskt skulle kunna bilda en elastohydrodynamisk smörjfilm. Detta är möjligt eftersom köldmedier, liksom oljor, får högre viskositet under de mycket höga tryck som utvecklas i kontaktytorna mellan rullkropparna och lagrens löpbanor. Ökningen är inte lika stor som hos smörjoljor, men den är tillräcklig för att bilda en mycket tunn smörjmedelsfilm. I konventionella helstålslager skulle en så tunn film inte räcka för smörjning, men materialkombinationen keram/stål och andra egenskaper hos de nyutvecklade hybridlagren möjliggör tillförlitlig drift även med denna mycket tunna smörjfilm av köldmedium. Tidigare hade det inte ansetts möjligt att använda köldmedium som smörjmedel på grund av den mycket låga viskositeten hos de flesta köldmedier.

Tekniken med specialiserade rullningslager som fungerar korrekt med bara köldmedium som smörjmedel kallas ”pure refrigerant lubrication” (PRL) – på svenska vanligen bara köldmediumsmörjning. PRL är en specifik del av ett bredare SKF-program som handlar om tekniken att smörja rullnings­lager med vätskor av ultralåg viskositet (ULVF) (till exempel bränslen, vatten, raketbränslen och flytande gaser). SKF äger flera patent kring PRL och ULVF.

 

Fig. 2: Rullningslagerarrangemang för ett centrifugalkompressorbaserat kylaggregat med två roterande löphjul.

Fig. 2: Rullningslagerarrangemang för ett centrifugalkompressorbaserat kylaggregat med två roterande löphjul.

PRL-lager i centrifugalkompressorer
Ett användningsområde för köldmediumsmorda lager är kompressorkylare [1] som används i stora luftkonditioneringssystem och industriella processer. Kyl­aggregat använder köldmedium i en ångkompressionscykel som kyler vatten, vilket sedan används för kylning i en industriell process, eller för att kyla ventilationsluften i en byggnad. Kylaggregat med stor kapacitet, över 300 ton kylning (ton of refrigeration, TR), är typiskt utrustade med centrifugalkompressorer. Normalt finns det en kompressor per kylaggregat. Centrifugalkompressorer har ett eller flera roterande löphjul (fig. 1). Varvtalet hos löphjulet bestäms av den erforderliga periferihastigheten och beror på kompressorns storlek och kapacitet samt typen av köld­medium. Kompressorer som använder lågtrycksköldmedier roterar med lägre varvtal än kompressorer med mellan- eller högtrycksköldmedier. Även med oljesmörjning kan driftförhållandena i kompressorernas lager ge upphov till svåra smörjproblem, på grund av närvaron av köldmedier. Lagren till löphjulsaxeln har kritisk betydelse för kompressorns prestanda och verkningsgrad.

Traditionella kompressorkonstruktioner har hydrodynamiska lager som använder stora mängder cirkulerande olja för sin smörjning och som har system som separerar ut olja blandad med köldmedium, så att oljan fungerar som lagersmörjmedel. Eftersom köldmedier typiskt är mycket goda lösningsmedel är det svårt att undvika att de späder ut oljan. Oljesmorda rullningslager kräver mindre oljeflöde och har lägre friktionsmoment, men de behöver också separationssystem för att minska utspädningen av oljan med köldmedium.

Därför framstår PRL-teknik som mycket attraktiv i detta fall [2] (fig. 1 och 2). Oljefri drift har dessutom andra fördelar: Det finns inget behov av oljeunderhåll, inget behov av att ta hand om förbrukad olja, ingen risk för oljeansamling i förångaren, inget behov av värmare, och – för luftkylda kylaggregat – ingen risk för förorening av mark i händelse av rörbrott.

 

Fig. 3: Försöksuppställning för att mäta filmtjocklek i tribometern SKF WAM-5.

Fig. 3: Försöksuppställning för att mäta filmtjocklek i tribometern SKF WAM-5.

Smörjegenskaper hos köldmedier
En avgörande del av PRL-tekniken är att förstå i vilken utsträckning ett köldmedium kan bilda en smörjfilm i en tungt belastad rullkontakt, så som olja gör. Rullningslager smörjs genom en elastohydrodynamisk mekanism (EHL) [3]. Med andra ord, eftersom rullningslager karakteriseras av cykliskt tungt belastade kontakter ökar smörjmedlets viskositet med ökande tryck, samtidigt som elastisk deformation av stålkropparna äger rum för att ge plats åt smörjmedlet. Dessa båda mekanismer ligger till grund för uppbyggnaden av en tunn smörjfilm – bara en till ett par µm tjock under EHL-förhållanden – som kan separera kontaktytorna i en normal oljesmord situation. Men fram till nyligen har det inte varit känt om några av de köld­medier som används har motsvarande egenskap av piezo-viskositet (viskositetsökning under tryck) och hur mycket ytornas råhet och elastiska deformation påverkar separationen.

Det är svårt att studera köldmedier under ”flytande” förhållanden vid det höga tryck som är typiskt för EHL-kontakter (tryck på en eller flera GPa). På senare tid har det dock börjat komma fram studier och mätningar av de smörjande egenskaperna hos typiska köldmedier i kylaggregat [4, 5, 6]. Egenskaper som viskositet, piezo-viskositet, kompressibilitet, skjuvspänning och gränsfriktion är viktiga för att förstå uppträdandet hos ett köldmedium i en EHL-kontakt.

 

Mätning av filmtjocklek
SKF har mätt filmtjockleken hos köldmediet R1233zd [7] med den interferometriteknik som erbjuds av tribometern SKF WAM-5 (fig. 3). Med denna uppställning har det visat sig att köldmediet faktiskt kan bilda en smörjfilm av en viss tjocklek (fig. 4).

I samarbete med SKF har INSA de Lyon (Frankrike) [6] också genomfört filmtjockleksmätning i en egenutvecklad kula-skiva-tribometer (en annan geometri än WAM-5) för köldmediet HCFC-123. Undersökningen visar att även detta köldmedium bildar en smörjfilm (fig. 5).

När de smörjande egenskaperna hos köldmedierna är kända [6, 7] kan dessa värden föras in i enkla regressionsmodeller eller avancerade numeriska modeller för filmtjockleksberäkningar, som varje annan EHL-kontakt (fig. 6).

Fig. 6: Exempel på en numerisk beräkning av filmtjocklek och tryck för uppställningen med kula-skiva

Fig. 6: Exempel på en numerisk beräkning av filmtjocklek och tryck för uppställningen med kula-skiva i fig. 3 för köldmediet HCFC-123, med en medbringningshastighet på 2 m/s.

Hybridkontakten är en central egenskap
Under bristande smörjförhållanden erbjuder hybridlager (stålringar och Si3N4-rullkroppar) flera fördelar jämfört med helstålslager [8], främst på grund av deras inneboende lägre gränsfriktionskoefficient och det faktum att dessa två olika material inte svetsas samman vid höga friktionstemperaturer, i motsats till stål-stål-kontakter. Därför har SKF redan från början tillämpat denna lagerkonstruktion för PRL-förhållanden [9]. Som ett exempel på fördelarna med hybridkontakter under PRL-förhållanden beskriver referens [7] resultaten av uppmätt gränsfriktion för en hybridkontakt (Si3N4-kula och en stålskiva tillverkad av genomhärdat rostfritt kvävestål enligt SKFs specifikation VC444). Resultaten framgår av fig. 7.

Från fig. 7 (vänster) kan man konstatera att gränsfriktionskoefficienten i Stribeck-kurvan bara uppgår till 0,07. Detta värde är mycket lågt i jämförelse med de som förekommer i konventionella lösningar med oljor som smörjer stål-stål-kontakter (upp till 0,15).

Fig. 7: Stribeck-kurva (vänster) och traktionskurva (höger) för köld­mediet R1233zd

Fig. 7: Stribeck-kurva (vänster) och traktionskurva (höger) för köld­mediet R1233zd, keramisk kula och genomhärdat rostfritt kvävestål enligt SKFs specifikation VC444 (p = 0,94 GPa). Pilarna visar medbringnings­hastigheten (a) och glidningen uppåt och nedåt (b).

Den industriella PRL-lagerlösningen
SKFs interna tester, laboratorieexperiment och simuleringar [9] har lett fram till en lagerlösning för centrifugalkylare som som är pålitlig under PRL-förhållanden.

Lösningen är ett lagerarrangemang med parade uppsättningar av hybridvinkelkontaktkullager (fig. 8 och 9), där varje lager består av:

(1) inner- och ytterringar av genomhärdat rostfritt kvävelegerat HNS-stål enligt SKFs specifikation VC444, värmebehandlade och slipade till extremt precisa löpbanor i processer som utvecklats av SKF. Stålet har inte bara mycket bra korrosionshämmande egenskaper utan även en ytterst fin mikrostruktur, vilket gör det till ett utmärkt material för rullningslager i extremt svåra applikationer.
(2) rullkroppar tillverkade i kiselnitrid (Si3N4) av högsta kvalitet och mycket strängt kontrollerade med avseende på avvikelser [10];
(3) en hållare i fiberarmerat PEEK-material.

Allt detta stöds av experter inom tillämpningskonstruktion, som definierar lagerarrangemang, smörjmetoder, filtreringsgrad, förspänning och toleranser.

Fig. 8: Hybridvinkelkontakt­kullager för extrema applikationer

Fig. 8: Hybridvinkelkontakt­kullager för extrema applikationer (inner- och ytterringar enligt SKFs specifikation VC444, keramiska kulor, fiberförstärkt PEEK-hållare).

Det första fältförsöket med PRL-teknik gällde kompressorer till oljefria luftkonditioneringskylare och genomfördes i början av 2000-talet. De kylaggregaten fungerade bra och är fortfarande i drift. Ett ledande luftkonditioneringsföretag lanserade kylaggregat med PRL-kompressorer på marknaden 2002. Till en början var entusiasmen stor kring möjligheten att eliminera smörjolja och utnyttja fördelarna med PRL, men intresset från kunder falnade snabbt. Orsaken visade sig vara ett intressant fenomen som ibland kan observe­ras inom produktutveckling och marknadsföring. Efterfrågan minskade därför att det inte fanns någon konkurrent till PRL-tekniken. Situationen förändrades när (Danfoss) Turbocor lanserade sin centrifugalkompressor som hade magnetlager och som inte använde olja. Snart började andra tillverkare utveckla kompressorer med magnetlager, och intresset för PRL som en alternativ oljefri lösning återföddes. Utvecklingen av PRL-kompressorer återupptogs och nya kompressormodeller lanserades på marknaden. Idag finns det ett stort internationellt intresse för PRL-teknik.

Vid sidan om kompressor­utveckling tillsammans med kompressortillverkare har SKF intensifierat forskning kring och utveckling av PRL-teknik, både inom tribologivetenskapen och inom utveckling av praktisk lagerteknik.

Fig. 9: 3D-vy av lagerarrangemang.

Fig. 9: 3D-vy av lagerarrangemang.

Referenser
[1] Wallin, H.H., Morales-Espejel, G.E., ”Hybridlager för oljefria luftkonditionerings- och kylkompressorer” SKF Evolution, nr 2 2002, pp. 28-30.
http://evolution.skf.com/sv/hybridlager-for-oljefria-luftkonditionerings-och-kylkompressorer
[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., ”Utveckling av kulor till keramiska lager”, SKF Evolution, No. 1.2012, pp. 25-29. http://evolution.skf.com/developments-in-ceramic-bearing-balls/

Relaterat innehåll