Smering van R744-compressoren

Jean-Yves Clairé Ingenieur smeermiddelen		François Péricat Ingenieur fabrikanten Frankrijk / Iberia / Verenigd Koninkrijk

Waarin verschilt de smering van CO2-compressoren van die van andere compressoren? Wat zijn de belangrijkste aspecten?

JYC / FP: R744, met een ODP* van 0 en een GWP van 1, heeft een aantal voordelen, met name een hoge verdampingswarmte en een lage volumetrische massa. Verder is het niet giftig en onbrandbaar. De vele technologische uitdagingen die het gebruik van dit middel met zich meebrengt, zoals de sterke oplosbaarheid in smeermiddelen en de zeer oplossende werking van CO₂ in de vorm van vloeistof of mist, vereisen echter specifieke kennis.

Welke soorten smeermiddelen beveelt u aan?
JYC / FP: Koudeproductie door middel van com­pressie berust op het algemeen bekende principe van verdamping, een faseverandering van het kou­demiddel van vloeistof naar gas, waarbij een aan­zienlijke hoeveelheid warmte wordt opgenomen en bijgevolg “koude wordt geproduceerd”. In industri­ële installaties die werken op CO₂ worden talrijke variaties op dit basisprincipe toegepast, zoals cas­cadesystemen, droge of natte verdampers, boos­ters of sub- en transkritische koelmiddelsystemen. Het juiste smeermiddel wordt bepaald op basis van het type koelmiddel en het ontwerp van de installa­tie. In een installatie waar een perfecte mengbaar­heid van CO₂ en het smeermiddel nodig is, kiest men oliën van het type POE (polyolesters), in syste­men waarin “niet-mengbaarheid” de voorkeur heeft, gebruikt men eerder een smeermiddel van het type PAO (polyalfaolefinen) of PAG (polyalkyleenglyco­len), zie figuur 1.

Het zijn deze 3 soorten smeermiddelen, POE, PAO en PAG, die voor gebruik met R-744 in aanmerking komen. Omdat de olie zeer belangrijk is voor een goede werking van de installatie, komt het erop aan goed te begrijpen hoe elk compressortype wordt gesmeerd.

Kunt u de smering van elk compressortype kort uitleggen?
JYC / FP: Er zijn twee types CO₂-compressoren: zuigercompressoren en schroefcompressoren.

Lagersmering bij zuigercompressoren voor koel­systemen verloopt in het algemeen net als bij andere compressoren: bij kleine machines worden de drijfstangen en cilinders gesmeerd door middel van een oliespatsmering, bij grote machines worden de lagers en drijfstangen gesmeerd met behulp van een aangekoppelde oliecirculatiepomp. Of het nu om een mengbare of een niet-mengbare toepas­sing gaat, de compressoronderdelen worden altijd gesmeerd door het mengsel van smeermiddel en CO₂. De oplosbaarheid van het koudemiddel in de olie hangt enerzijds af van het intrinsieke gedrag van de combinatie koudemiddel/smeermiddel en ander­zijds van de druk: hoe hoger de druk, hoe groter de oplosbaarheid, hoe hoger de oplosbaarheid, hoe groter de daling in viscositeit.

Deze regel is zowel van toepassing op CO₂ als op de POE, PAO en PAG. De oliefilm op de cilinderwanden van een zuigercompressor in een koelinstallatie ondervindt lage tempe­raturen aan de zuigzijde (bijvoorbeeld -42°C bij een zuigdruk van 9.3 bar abs) en hogere temperaturen bij de uitlaatkleppen (tussen 50 en 75°C afhankelijk van de werkingscyclus).

Aangezien de viscositeit toeneemt naarmate de temperatuur daalt, is het smeermiddel veel viskeuzer bij de zuigopening dan bij de uitlaat. We hebben dus te maken met twee tegen­gestelde vereisten: de viscositeit van de olie mag niet te hoog zijn opdat de olie zich snel in een dunne laag over de te smeren oppervlak­ken uitbreidt, maar moet wel hoog genoeg zijn om het smeermiddel ondanks de oplosbaar­heid van de CO₂ een afdoende bescherming tegen slijtage te laten bieden. Er moet tevens rekening mee worden gehouden dat de olie voorbij de compressor wordt meegevoerd door het koudemiddel. Dan wordt de meng­baarheid dus een factor van groot belang, zoals verderop zal blijken.

In een CO₂-compressor wordt de olie bij stil­stand op temperatuur gehouden met behulp van weerstanden in het compressorhuis, om de CO₂ uit de olie te laten verdampen (ontgas­sen) en te zorgen voor een hogere viscositeit wanneer de compressor weer wordt gestart. Op die manier wordt ontgassing bij het starten van de compressor voorkomen, waardoor de oliefilm weggeblazen zou worden. De olie in het compressorhuis ondervindt zuigdruk (lage druk). Er moet dus rekening worden gehouden met de oplosbaarheid van de CO₂ bij de temperatuur van het compres­sorhuis en de zuigdruk, om de restviscositeit van het gebruikte smeermiddel te schatten aan de hand van curven voor de viscositeit, druk en temperatuur. De minimale viscosi­teit om een goede smering van een zuiger­compressor te bereiken is 30 centistokes ter hoogte van de krukas en 7 centistokes voor het contact tussen cilinderwand en zuigers. Er moet dus een viscositeitsklasse van 46 tot 100 centistokes bij 40°C worden gebruikt om de minimale viscositeit te verkrijgen die nodig is om een goede smering van de onderdelen van een zuigercompressor te bereiken, reke­ning houdend met de oplosbaarheid van CO₂.

En voor schroefcompressoren?

JYC / FP: Ook gesmeerde of “natte” schroefcompressoren worden in CO₂-instal­laties toegepast. In deze systemen smeert de olie het contactoppervlak en de lagers van de schroeven. Het smeermiddel dicht de ruimte tussen de schroeven af, koelt het gecompri­meerde gas en maakt hydraulische besturing mogelijk. Bij smering van schroefcompresso­ren is de druktoename langs de hele schroef constant. Dat heeft tot gevolg dat de oplosbaarheid van CO₂ in het smeermiddel maximaal is bij de druk en temperatuur aan de perszijde, wat leidt tot een aanzienlijke daling van de viscositeit. Voor schroefcompressoren moet een hogere viscositeitsklasse worden gebruikt dan voor zuigercompressoren: over het algemeen tussen 68 en 220 centistokes bij 40°C, om de viscositeitsdaling te compenseren.

Zijn er aspecten van de smering die voor beide compressortypen gelijk zijn?

JYC / FP: Ja, die zijn er. De oplosbaarheid van CO₂ in olie is maximaal aan de uitlaat van de separator. Het is raadzaam om aan de uitlaat van de separator een opwarm- of zuiveringssysteem voor de olie aan te brengen om de meeste in de olie opgeloste gasvormige CO₂ te verwijderen voordat het smeermiddel onder lage druk in het compressorhuis wordt geïnjecteerd.

Als de opgeloste CO₂ niet wordt verwijderd, treedt er een sterke ontgassing op, die tot een gebrekkige smering kan leiden omdat de olie erg gaat schuimen. Hierdoor wordt het smerend vermogen van de olie ernstig aangetast. Bovendien kan een kleine variatie in druk of temperatuur aan de zuigzijde leiden tot vorming van CO₂-mist. De zeer fijne CO₂-druppeltjes kunnen de oliefilm wegspoelen, wat funest is voor het contact tussen zuigerveren en cilinderwand of tussen lager en as. Verdamping van deze mist kan eveneens leiden tot het wegblazen van de oliefilm. Beschadiging van de oliefilm leidt tot contact van metaal op metaal tussen bijvoorbeeld de zuigerveren en de cilinderwand, waardoor het mechanisme vast kan lopen. Om condensatie van CO₂ te vermijden, stellen ontwerpers en installateurs voor om het gasvormige CO₂ aan de zuigzijde van de compressor 10 tot 15° Kelvin te verwarmen.

Voor- en nadelen van de verschillende oliesoorten POE / PAO / PAO / PAG

POE: grote zuiverheid, chemische stabiliteit, weerstand tegen thermische belasting, bes­tand tegen zeer hoge temperaturen (+210°C), mengbaar met CO₂, geringe vluchtigheid. Nadeel: hygroscopisch. Typische CO₂-toepassingen: mengbare toepassingen.

PAO: bestand tegen hydrolyse, grote zuiverheid, zeer hoge weerstand tegen thermische belasting, groot temperatuurbereik van -45°C tot +175°C, zeer lage viscositeit bij koude, geringe vluchtigheid, uitstekende bescherming tegen slijtage.

Typische CO2-toepassingen: niet-mengbare toepassingen.

PAG: grote zuiverheid, groot smerend vermogen, bestand tegen warmte en thermische belasting, in staat om langdurig hoge temperaturen tot 210°C te verdragen. Nadeel: hygroscopischer dan POE, niet geschikt voor bepaalde afdichtingen en lakken; PAG ver­dragen over het algemeen geen minerale olie en PAO en mogen daar niet mee worden vermengd. Typische CO₂-toepassingen: niet-mengbare toepassingen.

ExxonMobil en Mobil zijn gedeponeerde handelsmerken van Exxon Mobil Corporation of één van zijn filialen, waaronder Esso S.A.F., dat ze in Frankrijk op de markt brengt.

Esso S.A.F. Naamloze vennootschap met een kapitaal van € 98.667.521,70 RCS Nanterre 542 010 053 5/6 Place de l’iris F – 92400 Courbevoie.