Das Kyoto-Protokoll zielt darauf ab, die globale Erwärmung zu reduzieren und legt Verpflichtungen zur Reduzierung der Treibhausgase fest. Die F-Gas II Verordnung wiederum soll seinerseits den Einsatz von H-FKW und Kältemitteln mit hohem Erderwärmungspotenzial (GWP) schrittweise reduzieren. Diese Entwicklungen in der Gesetzgebung fördern die Verwendung von Ammoniak (NH3) und Kohlendioxid (CO2).
Systeme, die diese Kältemittel verwenden, müssen zahlreiche technische und sicherheitstechnische Anforderungen erfüllen. Deshalb ist die regelmäßige Wartung bei Verwendung eines geeigneten Öls für Langlebigkeit und Energieeffizienz der Anlage von grundlegender Bedeutung.
Welche wichtigen Aufgaben erfüllt das Öl in einer Kälteanlage?
Das Öl erfüllt 3 Hauptfunktionen:
- Schmierung von beweglichen mechanischen Teilen,
- Abdichtung,
- Motorflüssigkeit für einige Steuergeräte und Kühlflüssigkeit beispielsweise für Schraubenkompressoren.
Welche sind die grundlegenden Eigenschaften?
- Schmierfähigkeit: bezogen auf die Dicke des Ölfilms.
- Löslichkeit mit Kältemittel im gasförmigen Zustand.
- Mischbarkeit mit Kältemittel im flüssigen Zustand.
- Viskosität: Beständigkeit gegen Temperaturschwankungen.
Trotz der Ölabscheidesysteme ist das Öl im gesamten System verteilt und neigt dazu, sich in Elementen mit niedriger Umlaufgeschwindigkeit zu sammeln. Es setzt sich an den Wänden der Wärmetauscher (insbesondere der Verdampfer) ab und reduziert deren Wirkungsgrad. Sollte das Öl nicht ordnungsgemäß zum Kompressor zurückfließen, kann die Ölpumpe leerlaufen und die Maschine zum Stillstand bringen.
Das Öl muss daher entsprechend dem Kältemittel, seiner Mischbarkeit und Löslichkeit mit dem Kältemittel, den Betriebstemperaturen, dem Kompressortyp und der Technologie ausgewählt werden.
Die Wahl eines Öls für Ammoniak
Kompressoren, die mit NH3 betrieben werden, benötigen ein qualitativ hochwertiges Öl, das bestimmte Kriterien erfüllen muss:
Ammoniak erhitzt sich stark, wenn es komprimiert wird. Das Öl muss daher Eigenschaften aufweisen, die mit den besonderen Eigenschaften von Ammoniak kompatibel sind:
- Hohe Festigkeit des Schmierfilms zur Abdichtung zwischen den Außen- und Innenläufern von Schraubenkompressoren
- Wärmeabfuhr (Kühlfunktion)
- Reduzierung der Reibung und des Verschleißes der Kompressoren bei beibehaltener, ausreichender Viskosität bei niedriger Temperatur (um flüssig zu bleiben) und auch bei Verdrängungstemperatur.
- Schutz vor Korrosion
- Kompatibilität mit den Dichtungen
- Ölbeständigkeit gegen hohe Temperaturen zur Vermeidung von Hochtemperaturablagerungen
Das verwendete Öl vermischt sich nicht mit dem Ammoniak. Daher muss das im Kreislauf mitgeführte Öl wieder zurückgeführt werden. Öl ist schwerer als Ammoniak und setzt sich am Boden von Hohlräumen ab. Wurden früher NH3-Spülsysteme im Freien verwendet, so wird heute bei Tauchanlagen mit einer Spülflasche gespült. Da das Öl mit Ammoniak, das einen niedrigen Dampfdruck hat, nicht vermischt werden kann, ist seine Migration in den Kreislauf unvermeidlich. Daher muss ein Ölabscheider verwendet werden.
Ammoniak wird häufig mit paraffinischen und naphthenischen Mineralölen, synthetischem PAO- und AB-Öl verwendet. In industriellen Anwendung wird in der Regel ein ISO 68-Typ wegen seines nahezu nicht vorhandenen Viskositätsabfalls verwendet.
Da Ammoniak als giftig und schwer entflammbar gilt, muss das in Betrieb befindliche Öl mit seinen Betriebsbedingungen einerseits die Möglichkeit bieten das System zu schmieren und zu kühlen, aber auch seine Dichtheit zu gewährleisten.
Für Anwendungen in der Lebensmittelbranche kann vom Betreiber die Verwendung eines bei der NSF registrierten H1- oder H2-Öls verlangt werden.
Neben den Betriebsbedingungen von Ammoniak können während der Lebensdauer der Anlage im Zusammenhang mit dem Anlagenverschleiß weitere Einschränkungen auftreten. (Beispiele: Ölverschmutzung und -abbau, mangelhafte Ölrückführung, Teileverschleiß, Ablagerungen, Verschleiß der Dichtungen usw.).
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Die Wahl eines Öls für CO2
CO2 hat wesentlich höhere Betriebsdrücke und -temperaturen als halogenhaltige Kältemittel bei mittlerem Druck und führt somit zu extremen mechanischen Belastungen für bewegliche Teile und Lager.
Es hat auch die Besonderheit, dass es in Öl extrem löslich ist, was erhebliche Viskositätsabfälle nach sich zieht und zum Abreißen des Ölfilms führen kann. Das verwendete CO2 muss ein Wassergehalt von weniger als 5 ppm haben, um bei Kontakt eine Versauerung des Öls zu vermeiden.
Bei Verwendung eines ungeeigneten Öls kann es daher zu vorzeitigem Verschleiß durch unzureichende Schmierung und zu Leckagen mit Druckverlust kommen.
Wenn das Kühlaggregat für den Betrieb mit mischbaren Schmiermitteln ausgelegt ist, so sind, im Falle von CO2, mineralische oder synthetischen PAO- und AB-Schmierstoffen nicht geeignet.
Additive POE- oder PAG-Basismoleküle sind für R-744 besser geeignet und können für subkritische und transkritische Anwendungen geeignet sein.
POE-Öle:
Die Eigenschaften von POE-Ölen erlauben eine hohe Löslichkeit mit CO2 und tragen zu einer erheblichen Verringerung der Viskosität bei.
Je höher der Druck, desto größer ist die Gasmenge im Schmiermittel. Dieses Verhalten ist für alle mit Gas mischbaren Schmiermittelverbindungen üblich, jedoch variiert das Ausmaß je nach Kältemittel und Schmiermittelart.
Bei POE-Öle kann die verringerte Viskosität mit CO2 bei typischen Betriebsdrücken des Kühlsystems in einigen Teilen des Kompressors zu einer mangelhaften Schmierung führen, vor allem beim Start oder bei hohen Füllmengen.
Falls eine ISO 68-Qualität für die meisten halogenierten Kältemittel geeignet ist, muss bei Verwendung von POE-Ölen mit CO2 eine höhere ISO-Qualität verwendet werden, um den erheblichen Viskositätsabfall des Öls in Kontakt mit R-744 zu lindern. Eine ISO-Klasse über 80 ist daher besser geeignet. Das Schmiermittel kann so eine ausreichende Viskosität beibehalten, um die Teile des Kompressors zu schützen.
Da POE-Öle mit CO2 vermischt werden können, ist das Schmiersystem einfach umzusetzen. Lediglich der Wassergehalt muss kontrolliert werden. Die Anlage muss von der Inbetriebnahme an sauber und dicht sein.
Für die Arbeit mit CO2 ausgelegte POE-Öle werden ebenfalls mit besonderen Additiven versehen, um das beim Start des Kompressors beobachtete Schäumungsphänomen zu reduzieren.
Es wird empfohlen, den Säuregehalt des Öls regelmäßig vor Ort mit Tests wie beispielsweise Acitest Unipro, das mit allen Ölsorten kompatibel ist, zu überwachen und eine jährliche Analyse durchzuführen.
PAG-Öle:
Bei PAG-Ölen (Polyalkylenglykol) ist die Viskositätsreduzierung nicht so erheblich wie bei POE-Ölen. Dies ermöglicht die Verwendung eines Schmiermittels ISO VG 68, das unter normalen Arbeitsbedingungen mit R-744 eine ausreichende Viskosität aufweist, um den Kompressor zu schützen.
Die Mischbarkeit der PAG-Öle mit dem R-744 reicht aus, um trotz Überhitzung am Verdampferaustritt eine ausreichende Ölrückführung zu gewährleisten.
Da im Verdampfer jedoch zwei Phasen vorhanden sind, müssen die Rohrleitungen der Anlage ausreichend dimensioniert sein.
Die für CO2 formulierten PAG-Öle haben eine ausgezeichnete thermische Stabilität und ermöglichen das Arbeiten unter den hohen Abflussbedingungen, der bei transkritischen Wärmepumpen zu beobachten ist.
Im Vergleich zu POE-Ölen ist der Mischbarkeitsbereich mit den PAG-Ölen kleiner. Bei Ölkonzentrationen von mehr als 50 % können die Phasentrennung und die Bildung von zwei öl- und kältemittelreichen Schichten beobachtet werden.
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Beachten Sie, dass POE- und PAG-Öle sehr hygroskopisch sind. Daher darf ein offener, oder geöffneter Kanister, wenn er nicht sofort verwendet wird, nicht aufbewahrt werden. Das restliche Öl muss einer zugelassenen Wiederaufbereitung zugeführt werden.
