Schmierung von mit R-744 betriebenen Kompressoren

Jean-Yves Clairé Ingenieur für Schmiermittel		François Péricat, Industrieingenieur Frankreich / Iberia / Großbritannien

Interview mit Jean-Yves Clairé und François Péricat Exxonmobil.

Inwiefern unterscheidet sich die Schmierung von CO₂-Kompressoren von der Schmierung anderer Kompressoren? Welche Schwierigkeiten gibt es dabei?

JYC / FP: Das Kältemittel R-744 mit einem ODP* von 0 und einem GWP von 1 hat etliche Vorteile, dazu zählen insbesondere eine hohe Verdampfungswärme, ein geringes spezifisches Volumen, Ungiftigkeit und Nichtentflammbarkeit. Sein Einsatz erfordert jedoch ein gewisses Know-how, da eine ganze Reihe tech¬nischer Herausforderungen bewältigt werden muss, so zum Beispiel in Verbindung mit seiner starken Löslichkeit in Schmiermitteln und dem starken Lösungs¬mitteleffekt des CO₂, wenn dieses als Flüssigkeit oder in Form von Nebel vorliegt.

Zu welchen Schmiermitteltypen raten Sie?

JYC / FP: Die Erzeugung von Kälte durch Kom¬pression erfolgt nach dem allgemein bekannten Prinzip der Verdampfung – die Änderung des Zustands des Kältemittels von flüssig in gasförmig, bei der eine große Wärmemenge absorbiert wird, wodurch es zur „Erzeugung von Kälte“ kommt. Basierend auf die¬sem Grundprinzip gibt es in den mit CO₂ betriebenen Industrieanlagen zahlreiche Varianten: zum Beispiel Kaskadensysteme, Trockenverdampfer oder überflu¬tete Verdampfer, Booster-Systeme, sub- und transkri¬tische CO₂-Kälteanlagen. Die Art des zu verwendenden Schmiermittels richtet sich nach dem Kältemitteltyp und dem Aufbau der Anlage. Bei einer Anlage, bei der eine uneingeschränkte Mischbarkeit des CO₂ mit dem Schmiermittel angestrebt wird, sollte man POE-Öle (Polyolester) verwenden; bei Systemen, bei denen „Unmischbarkeit“ gegeben sein soll, sollte man eher ein PAO-Schmiermittel (Polyalphaolefine) oder ein PAG-Schmiermittel (Polyalkylenglykole) verwenden. Siehe Abbildung 1. Diese drei Schmiermitteltypen – POE, PAO und PAG – sind die, die mit R-744 verwendet werden. Das Öl ist für den einwandfreien Betrieb einer Anlage ganz entscheidend. Daher ist es wichtig zu ver¬stehen, wie die einzelnen Kompressortypen geschmiert werden.

Können Sie kurz die Schmierung für die verschiedenen Kompressortypen beschreiben?

JYC / FP: Man unterscheidet zwei Kategorien von CO₂-Kompressoren: Kolbenverdichter und Schraubenverdichter. Die allgemeinen Bedingungen für die Schmierung der Lager von Kältemittel-Kolbenverdichtern sind mit denen anderer Kompressoren vergleichbar. Bei kleine­ren Aggregaten erfolgt die Schmierung der Pleuelstan­gen und Zylinder über die Öl-Tauch-schmierung, bei größeren Aggregaten wird die Schmierung der Lager und Pleuelstangen mittels Öl-Umlaufschmierung durchgeführt. Unabhängig von der Art der Anwen­dung, mischbar oder nicht mischbar, ist es wichtig zu verstehen, dass die Schmierung der Bestandteile von Kompressoren über die Kombination von Schmiermit­tel und CO₂ gewährleistet wird. Die Löslichkeit des Kältemittels in Öl hängt zum einen von dem inhärenten Verhalten der Kombination von Kälte- und Schmiermit­tel ab, zum anderen vom Druck: je höher der Druck, desto größer ist die Löslichkeit. Und je größer die Löslichkeit, desto stärker ist die Abnahme der Vis­kosität. Diese Regel gilt für CO2 wie auch für POE, PAO und PAG.

Der Ölfilm auf den Zylinderwänden eines Kolbenver­dichters wird beim Ansaugen niedrigen Temperaturen ausgesetzt (zum Beispiel – 42°C bei einem Saugdruck von 9,3 bar abs.) und höheren Tem­peraturen an den Auslassventilen (zwischen 50 und 75°C je nach Betriebsart). Da die Viskosität mit steigender Temperatur abnimmt, ist die Vis­kosität des Schmiermittels im Ansaugbereich viel höher als im Auslassbereich. Somit ergeben sich zwei entgegengesetzte Effekte: Die Viskosi­tät des Öls darf einerseits nicht zu hoch sein, damit sich das Öl schnell als feiner Film auf alle Flächen, die geschmiert werden sollen, verteilen kann; andererseits muss eine ausreichend hohe Viskosität gegeben sein, damit das Schmiermit­tel trotz der Löslichkeit des CO₂ ausreichend Schutz gegen Verschleiß bietet. Darüber hinaus muss berücksichtigt werden, dass das Öl über das Kältemittel in das System gelangt, sodass der Faktor Mischbarkeit schließlich sehr wichtig wird, wie ich später erklären werde.

Bei Stillstand eines mit CO₂ betriebenen Kol¬benkompressors wird die Temperatur des Öls mithilfe elektrischer Widerstände im Gehäuse konstant gehalten, damit CO₂ als Gas aus dem Öl entweichen kann und somit eine höhere Viskosität gegeben ist, wenn der Kompressor wieder in Betrieb genommen wird. Damit wird verhindert, dass bei Einschalten des Kom¬pressors eine Entgasung erfolgt, durch die der Ölfilm weggespült würde. Das Öl im Gehäuse wird dem Saugdruck ausgesetzt (Niedrigdruck). Bei der Ermittlung der tatsächlichen Viskosität des verwendeten Schmiermittels mithilfe von Viskositäts-, Druck- und Temperaturkurven müssen also die Löslichkeit des CO₂ bei der Temperatur des Gehäuses und der Saugdruck berücksichtigt werden. Die Mindestviskosität für eine korrekte Schmierung in einem Kolben¬kompressor beträgt 30 Centistokes im Bereich der Kurbelwelle, 7 Centistokes an den Berüh¬rungsstellen zwischen Zylindern und Kolbenringen. Damit die Mindestviskosität, die für eine einwandfreie Schmierung der Bestandteile des Kolbenkompressors erforderlich ist, erreicht wird, braucht man also einen Viskositätsgrad zwischen 46 und 100 Centistokes bei 40°C, unter Berücksichtigung der Löslichkeit von CO₂.

Und wie sieht es bei den Schraubenkom­pressoren aus?

JYC / FP: Geschmierte Schraubenkompres¬soren oder „Nass“-Schraubenkompressoren werden ebenfalls in CO₂-Anlagen verwendet. In diesen Systemen werden mit dem Öl die Kontaktflächen der Schrauben sowie die Lager der Schrauben geschmiert. Das Schmiermittel sorgt für die Dichtheit zwischen Schrauben und Gehäuse, die Kühlung der komprimierten Gase sowie die hydraulische Steuerung. Bei geschmierten Schraubenkompressoren steigt der Druck kontinuierlich entlang des gesamten Schraubenprofils. Dies muss beachtet werden, denn es hat zur Folge, dass die Löslichkeit des CO2 im Schmiermittel bei Austrittsdrücken bzw. Verdrängungstemperaturen des Kompressors maximal ist. Dies führt zu einer bedeutenden Abnahme der Viskosität. Für die Schmierung von Schraubenkompresso­ren wird ein Schmiermittel verwendet, dessen Viskositätsgrad höher ist als bei Kolbenkom­pressoren. In der Regel liegt der Viskositätsgrad zwischen 68 und 220 Centistokes bei 40°C, damit die Abnahme der Viskosität ausgeglichen werden kann.

Gibt es Herausforderungen, die bei der Schmierung beider Kompressortypen auftreten?

JYC / FP: Ja, in der Tat. Die Löslichkeit des CO₂ im Öl ist am Ausgang des Abscheiders am größten. Es ist ratsam, am Ausgang des Abscheiders ein System zur Erwärmung des Öls bzw. zur Destillation vorzusehen, damit soviel gasförmiges, in dem Öl gelöstes CO₂ entfernt werden kann wie möglich, bevor das Schmier­mittel schließlich wieder in das Gehäuse des Kompressors geleitet wird, das einem niedrigen Druck ausgesetzt ist.

Wird das gelöste CO₂ nicht entfernt, kommt es zu beträchtlichen Entgasungsvorgängen, die durch eine starke Aufschäumung des Öls zu Fehlern bei der Schmierung führen können. Dieser Vorgang wirkt sich deutlich nachteilig auf das Schmier­vermögen des Öls aus. Außerdem können beim Ansaugen sehr geringe Temperatur- oder Druck­schwankungen zur Bildung eines CO₂-Nebels führen. Durch diese sehr feinen Tröpfchen aus flüssigem CO₂ kann es dazu kommen, dass der Ölfilm abgespült wird, was zur Schädigung an den Berührungsflächen zwischen Kolbenringen und Zylinder oder zwischen Lagern und Kur­belzapfen führt. Auch bei der Umwandlung die­ser Flüssigkeit (Nebel) in Gas (Dampf) kann der Ölfilm weggespült werden. Der Ölfilm verschwin­det und große direkte Kontaktflächen zwischen Metallen entstehen, zum Beispiel zwischen den Kolbenringen und dem Zylinder. Dadurch kann zu einem Ausfall durch Festfressen des Kom­pressors kommen. Um dieser Kondensation des CO₂ vorzubeugen, empfehlen die Entwickler und Installateure die Erwärmung des gasförmigen CO₂ von 10 auf 15° Kelvin an der Einsaugöffnung des Kompressors.

Vor- und Nachteile der verschiedenen Öltypen POE / PAO / PAG POE:

POE: hohe Reinheit, chemische Stabilität, Resistenz gegen thermischen Stress, große Hitzebeständigkeit (Temperaturen bis +210°C), Mischbarkeit mit CO₂, geringe Volatilität. Nachteil: hygroskopisch.

PAO: Hydrolysebeständigkeit, hohe Reinheit, sehr hohe Resistenz gegen thermischen Stress, Beständigkeit bei sehr unterschiedlichen Temperaturen mit einer Temperaturspanne von -45°C bis +175°C, sehr geringe Viskosität bei niedrigen Temperaturen, geringe Volatilität, hervorragender Schutz gegen Verschleiß. Typische CO₂-Anwendungen: nicht mischbare Anwendungen.

PAG: hohe Reinheit, hervorragendes Schmiervermögen, beständig gegen Hitze und thermischen Stress, konstante Temperaturbeständigkeit bis 210°C. Nachteile: hygroskopischer als die POE, nicht kompatibel mit bestimmten Dichtungen und Farben, die PAG sind allgemein nicht mit Mineralölen und PAO kompatibel, da sie nicht mit diesen mischbar sind. Typische CO₂-Anwendungen: nicht mischbare Anwendungen.

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