Lubrifierea compresoarelor care funcționează cu R-744

Interviu cu Jean-Yves Clairé și François Péricat, ingineri lubrifianți la Exxonmobil.

Cum diferă lubrifiantul pentru compresoarele cu CO₂ de celelalte produse similare? Care sunt provocările?

JYC / FP : R-744, care are un ODP* de 0 și un indice GWP de 1, prezintă mai multe avantaje, în special temperatură de evaporare ridicată și o masă volumică scăzută. De asemenea, este netoxic și neinflamabil. Cu toate acestea, este necesar un anumit know-how pentru a soluționa numeroasele provocări tehnologice legate de folosirea sa, precum solubilitatea sa ridicată în lubrifianți și efectul puternic de solvent al CO₂ sub formă lichidă sau de gazoasă.

Ce tip de lubrifianți recomandați?

JYC / FP : Refrigerarea prin compresie utilizează principiul binecunoscut al vaporizării, trecerea din stare lichidă în stare gazoasă a agentului refrigerant, un proces în care se absoarbe o cantitate importantă de căldură, ceea ce conduce la „producerea de frig”. Păstrând acest principiu de bază, se folosesc numeroase variante în instalațiile industriale care funcționează cu CO₂, precum instalațiile în cascadă, evaporatoarele uscate sau imersate, boosterele, sistemele de refrigerare subcritice și transcritice. Tipul de agent refrigerant și proiectarea instalației vor determina natura lubrifiantului folosit. Pentru o instalație în care se cere o miscibilitate perfectă între CO₂ și lubrifiant, se vor utiliza uleiuri de tipul POE (poliolesteri); pentru sistemele în care nu se preferă miscibilitatea, se va folosi mai degrabă un lubrifiant de tipul PAO (polialfaolefine) sau de tipul PAG (polialchilenglicoli), astfel cum se arată în Figura 1. Aceste 3 tipuri de lubrifianți, POE, PAO și PAG, sunt cele folosite cu R-744. Întrucât uleiul are un
rol foarte important pentru buna funcționare a instalației, este important să se înțeleagă bine cum este lubrifiat fiecare tip de compresor.

Puteți explica pe scurt lubrifierea pentru fiecare tip de compresor?

JYC / FP : Sunt 2 categorii de compresoare cu CO₂: cu piston și cu șurub. Constrângerile generale asociate cu lubrifierea lagărelor compresoarelor frigorifice cu piston sunt comparabile cu cele ale altor compresoare: pentru unitățile mici, uleiul asigură lubrifierea prin barbotaj a ambielajelor și cilindrilor, iar pentru unitățile mari, o pompă de ulei cuplată asigură lubrifierea rulmenților și a tijelor prin circularea uleiului. Indiferent de tipul de aplicație, miscibilă sau nemiscibilă, este important să se înțeleagă faptul că amestecul de lubrifiant/CO₂ este cel care asigură lubrifierea componentelor compresoarelor. Solubilitatea agentului refrigerant în ulei depinde, pe de o parte, de comportamentul intrinsec al amestecului de agent refrigerant și de lubrifiant și, pe de altă parte, de presiune: cu cât crește presiunea, cu atât crește solubilitatea și scade vâscozitatea. Această regulă se aplică CO2 și lubrifianților POE, PAO și PAG.

Filmul de ulei de pe pereții unui compresor cu răcire alternativă este supus la temperaturi scăzute de aspirație (de exemplu, -42°C pentru o presiune de aspirație de 9,3 bari abs) și la temperaturi mai ridicate la nivelul supapelor de evacuare (între 50 °C și 75°, în funcție de regimurile de funcționare).

Deoarece vâscozitatea scade odată cu temperatura, lubrifiantul va fi mai vâscos în partea de aspirație decât în partea de evacuare. Ne confruntăm, așadar, cu două efecte opuse: vâscozitatea uleiului nu trebuie să fie prea ridicată pentru ca acesta să creeze rapid o peliculă fină pe toate suprafețele de lubrifiant, dar trebuie să fie suficient de ridicată pentru ca lubrifiantul să asigure o protecție adecvată împotriva uzurii, în pofida solubilității CO₂. De asemenea, trebuie avut în vedere că agentul refrigerant va transporta uleiul dincolo de compresor, deci noțiunea de miscibilitate
va fi foarte importantă, așa cum voi explica în curând.

Când se opreşte un compresor care funcționează cu CO₂, temperatura uleiului este menținută cu ajutorul rezistențelor amplasate în carcasă, pentru a facilita degazarea CO₂ de ulei și, astfel, de a asigura o vâscozitate mai mare când compresorul este repus în funcțiune. Se evită astfel fenomenul de degazare la repornirea compresorului, care ar avea ca efect suflarea filmului de ulei. Uleiul din carter este supus presiunii de aspirație (presiune joasă). Trebuie, așadar, să se țină seama de solubilitatea CO₂ la temperatura carterului și la presiunea de aspirație pentru a se estima vâscozitatea reziduală a lubrifiantului folosit, cu ajutorul curbelor de vâscozitate – presiune – temperatură. Vâscozitatea minimă necesară pentru lubrifierea corectă a unui compresor cu piston este de 30 centistoke la nivelul arborelui cotit și de 7 centistoke la punctul de contact dintre cilindru și inelul pistonului. Se va folosi, așadar, un grad de vâscozitate între 46 și 100 centistokes la 40°C pentru a obține vâscozitatea minimă necesară pentru a asigura o bună lubrifiere a componentelor compresorului cu piston, ținând seama de solubilitatea CO₂.

Și în cazul compresoarelor cu șurub?

JYC / FP : Compresoarele cu șurub lubrifiate sau cu rotoare „umede” sunt, de asemenea, utilizate în instalațiile cu CO₂. În aceste sisteme uleiul lubrifiază suprafața de contact a rotoarelor compresorului și rulmenţii rotorului principal și ai rotorului secundar. Lubrifiantul asigură etanșeitatea între rotoare, răcirea gazelor comprimate și comanda hidraulică de reglare. Este important de reținut că, în cazul lubrifierii compresoarelor cu șurub, presiunea crește continuu de-a lungul profilului rotorului. Drept consecință, solubilitatea CO₂ în lubrifiant este maximă la presiunile și temperaturile de evacuare ale compresorului, determinând o scădere semnificativă a vâscozității. Se va utiliza un lubrifiant cu un grad de vâscozitate mai ridicat pentru compresoarele cu șurub față de compresoarele cu piston: în general, între 68 și 220 centistoke la o temperatură de 40°C pentru a compensa scăderea de vâscozitate.

În ceea ce privește lubrifierea, există provocări comune celor 2 tipuri de compresoare?

JYC / FP : Da, există. Solubilitatea CO₂ este maximă în ulei la ieșirea din separator. Este indicat să se prevadă un sistem de reîncălzire sau de rectificare a uleiului la ieșirea din separator pentru a elimina maximum de CO₂ în stare gazoasă dizolvat în ulei înainte de a reinjecta lubrifiantul în carterul compresorului la presiune joasă. Dacă acest CO₂ dizolvat nu este eliminat, se va produce un fenomen de degazare foarte important, care ar putea provoca deficiențe de lubrifiere prin spumarea semnificativă a uleiului. Acest fenomen afectează negativ puterea de lubrifiere a uleiului. În plus, variația foarte slabă a presiunii sau a temperaturii de aspirație poate conduce la formarea de ceață de CO₂. Prezența acestor picături foarte fine de CO₂ lichid poate conduce la eliminarea filmului de ulei, ceea ce va avea efecte nefaste asupra punctelor de contact dintre inelul pistonului/cilindru și rulmenți/ pivot. Și transformarea din stare lichidă în stare de vapori poate îndepărta filmul de ulei. Vom observa o diminuare a filmului de ulei și contacte metal pe metal însemnate ale componentelor, precum segmenții pistonului și cămașă, ce pot cauza aceleaşi daune mecanice. Pentru a evita această condensare a CO₂, proiectanții și instalatorii recomandă încălzirea CO₂ gazos cu 10 până la 15° Kelvin la admisia în compresor.

Avantajele și dezavantajele diferitelor tipuri de uleiuri: POE, PAO, PAG

POE: puritate mare, stabilitate chimică, rezistență la stres termic, capacitate de a suporta temperaturi foarte înalte (+210°C), miscibilitate cu CO₂, volatilitate scăzută. Dezavantaj: higroscopic. Aplicații tipice CO₂: aplicații miscibile. PAO: stabilitate la hidroliză, puritate mare, rezistență foarte ridicată la stres termic, capacitate de a suporta intervale mari de temperaturi de la -45°C la +175°C, vâscozitate foarte scăzută la frig, volatilitate slabă, protecție excelentă împotriva uzurii. Aplicații tipice CO₂:aplicații nemiscibile. PAG: puritate mare, excelentă putere de lubrifiere, stabil la căldură și la stres termic, capacitate de a suporta continuu temperaturi de până la 210°C. Dezavantaj: mai higroscopic decât POE, incompatibilitate cu anumite garnituri de etanșare și vopsele; în general, PAG sunt incompatibile cu uleiurile minerale și cu PAO întrucât nu sunt miscibile cu acestea.
Aplicații tipice CO₂: aplicații nemiscibile.
ExxonMobil și Mobil sunt mărci comerciale înregistrate ale Exxon Mobil Corporation sau ale uneia dintre filialele sale, printre care Esso S.A.F. care le comercializează în Franța. Esso S.A.F. Societate pe acțiuni cu un capital de 98.667.521,70 € RCS Nanterre 542 010 053 5/6 Place de l’iris 92400 Courbevoie.