Alles, was Sie über Kältekompressoröle wissen müssen

Während das Kältemittel für die Kühleigenschaften eines Kühlsystems unerlässlich ist, ist das Kältemaschinenöl entscheidend für das einwandfreie Funktionieren des Kompressors. Schmierstoffe für Kältekompressoren reduzieren die Reibung, verhindern Verschleiß und dichten zwischen Hoch- und Niederdruckseite ab. Aber wie wählt man das richtige Kältemaschinenöl aus?

Obwohl die Hauptfunktion des Kältemaschinenöls nach wie vor die Schmierung ist, sollte es auch extreme Temperaturunterschiede aushalten und mit dem Kältemittel kompatibel sein.

Wie funktioniert ein Kühlsystem?

Der gebräuchlichste Kältekreislauf wird durch Umwälzen, Verdampfen und Verdichten des Kältemittels in einem geschlossenen System erreicht. Die Verdampfung erfolgt bei niedriger Temperatur und geringem Druck, während die Kondensation bei hoher Temperatur und hohem Druck erfolgt. Dadurch ist es möglich, Wärme von einem Bereich mit niedriger Temperatur auf einen Bereich mit hoher Temperatur zu übertragen. Abbildung 1 gibt einen Überblick über diesen Kältekreislauf.

Abbildung 1: Kältekreislauf (Dampf-Kompression)
  1. Heißer komprimierter Dampf gelangt in den Kondensator, wo er gekühlt und zu einer Flüssigkeit kondensiert wird, wobei Wärme erzeugt wird.
  2. Das Kältemittel gelangt in der Dampfphase in den Kompressor und wird auf einen höheren Druck verdichtet, wodurch sich die Temperatur erhöht.
  3. Das Kältegemisch gelangt in den Verdampfer. Der flüssige Teil des kalten Kältemittelgemischs wird verdampft.
  4. Das kondensierte flüssige Kältemittel strömt durch ein Expansionsventil, bei dem der Druck reduziert wird. Der Druckabfall führt zur Verdampfung eines Teils des flüssigen Kältemittels. Dadurch sinkt die Temperatur des flüssigen und dampfförmigen Kältemittelgemischs.

Welche Kältemittel werden für Kühlsysteme verwendet?

  • FCKW (Fluorchlorkohlenwasserstoff): Diese Kältemittel sind am schädlichsten für die Ozonschicht. Beispiele: R11, R12, R13, R13b1, R14, R113, R114 und R115.
  • H-FCKW (teilhalogenierter Fluorkohlenwasserstoff): Diese Kältemittel sind leicht schädlich für die Ozonschicht. Beispiele: R21, R22 und R123.
  • FKW (Fluorkohlenwasserstoff): Diese Kältemittel sind nicht schädlich für die Ozonschicht. Mineralöl, PAO oder Alkylbenzole sind nicht mit FKW kompatibel. Beispiele: R134a (in Auto-Klimaanlagen verwendet) und R152a.
  • Ammoniak (R717 (NH3): Obwohl Ammoniak umweltfreundlich ist, ist reines Ammoniakgas für den Menschen hochgiftig. Ammoniak wird häufig in großen industriellen Kälteanlagen eingesetzt.
  • Gemische von FCKW-, H-FCKW- und FKW-Kältemitteln sind ebenfalls auf dem Markt erhältlich. Beispiele für solche Gemische sind: R500 (=R12/R152a), R501 (=R22/R12) und R502 (R22/R115).

Wie wählt man das geeignete Kältemittel aus?

Die wichtigsten Eigenschaften von Kältemitteln sind:

  • Siedepunkt
  • Wärme, die benötigt wird, um die Flüssigkeit zu verdampfen
  • Dichte in der Flüssigkeits- und Dampfphase

Die Auswahl des richtigen Kältemittels basiert im Wesentlichen auf der Eignung seines Druck-Temperatur-Verhältnisses für den jeweiligen Anwendungsbereich. Die Temperaturen des Kältemittels im Verdampfer und Kondensator entsprechen den Temperaturen der kalten und warmen Abschnitte. Dies bestimmt die Betriebsdrücke im Verdampfer und Kondensator.

Anforderungen an Kältemaschinenöle

1. Thermische Stabilität

Kältemaschinenöle müssen über einen breiten Temperaturbereich hinweg einwandfrei funktionieren. Die Temperaturen am Ende der Kompression in Kältekompressoren können Spitzentemperaturen von bis zu 180 ºC erreichen. Daher muss das Kältemaschinenöl wärmebeständig sein. Enthält das Öl flüchtige Ölfraktionen, gelangen die leichteren Enden als Dampf in das Kompressorsystem, wo sie kondensieren und den Wärmeübertragungswirkungsgrad verringern, aber auch die Ölviskosität erhöhen.

2. Chemische Stabilität

Kältemaschinenöle sollten chemisch stabil sein, um eine Reaktion mit dem Kältemittel zu vermeiden.

3. Löslichkeit des Kältemittels/Öls

Kältemittel-/Ölgemische können (teilweise) löslich oder unlöslich sein. Die vollständige Löslichkeit erleichtert die Schmierung, kann aber zu erheblichen Viskositätsabfällen im Kompressor führen, was die Reibung und den Verschleiß erhöht. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die verschiedenen auf dem Markt erhältlichen Kältemittel und deren Löslichkeitseigenschaften in Kombination mit Mineralöl (Q8 Strawinsky N).

Vollständig löslich

Hohe

Löslichkeit

Durchschnittliche Löslichkeit

Geringe

Löslichkeit

Nicht

löslich

R11

R12

R21

R113

R500

R13b1

R501

R22

R114

 

R13

R14

R115

R152a

R502

NH3

CO2

Tabelle 1: Löslichkeit von Kältemitteln in Mineralöl (Q8 Stravinsky N)

Für eine einwandfreie Funktion sollte das Öl-Kältemittel-Gemisch eine Viskosität aufweisen, die hoch genug ist, um eine ausreichende Abdichtung und Schmierung im Kompressor zu gewährleisten.

Wie liest man ein Viskositäts-Temperatur-Diagramm?

Abbildung 2 zeigt das Viskositäts-Temperatur-Diagramm verschiedener Mischungen von Q8 Strawinsky 68 und R22. Die Abbildung zeigt, dass die Viskosität auch bei niedrigem Kältemittelgehalt im Gemisch deutlich abnehmen kann. Eine zu niedrige Viskosität führt zu erhöhter Reibung und Verschleiß. Verschleißschutzadditive werden in der Regel in Kältemaschinenölen nicht verwendet, da die Gefahr einer Reaktion zwischen Additiven und Kältemittel besteht.

Abbildung 2: Viskositäts-Temperatur-Diagramm für Q8 Strawinsky 68/R22-Mischungen

Wie liest man ein Löslichkeits-Diagramm?

Die Löslichkeit von Q8 Strawinsky 68 und R22 ist abhängig von der Temperatur und der Ölkonzentration. Das bedeutet, dass sich Q8 Strawinsky 68 und R22 nicht über den gesamten Druck- und Temperaturbereich hinweg vermischen. Wenn ein vollständig gelöstes Kältemittel-/Ölgemisch abgekühlt wird, wird ein Punkt erreicht, an dem sich das vollständig gelöste Gemisch in zwei flüssige Phasen trennt. Dies ist im Löslichkeits-Diagramm dargestellt (Abbildung 3). Bei Temperaturen über einem bestimmten Punkt auf der Linie sind die beiden Substanzen löslich, unterhalb der Linie erfolgt eine Trennung.

Abbildung 3: Löslichkeits-Diagramm für Q8 Strawinsky 68/R22-Mischungen

4. Dampfdruck

Wenn eine Flüssigkeit kocht, wird die zugeführte Wärme genutzt, um die kinetische Energie der Moleküle zu erhöhen, bis sie nicht mehr in der flüssigen Phase verbleiben und zu Dampf (oder Gas) werden können. Dies geschieht bei einem bestimmten Druck. Wird der Druck jedoch erhöht, steigt auch die Siedetemperatur.

Das Verhältnis zwischen Druck und Siedetemperatur unter gesättigten Bedingungen (Flüssigkeit und Dampf) wird als Dampfdruckdiagramm definiert.

Wie liest man eine Dampfdruckkurve?

In Abbildung 4 ist das Druck-Temperatur-Diagramm für verschiedene gesättigte Mischungen von Q8 Strawinsky 68 und R22 dargestellt. Die flüssige Phase befindet sich links von der Kurve, die Dampfphase (Gas) rechts von der Kurve. Die Flüssigkeit kann entweder durch Erhöhen der Temperatur oder durch Absenken des Drucks verdampft werden. Dampfdruckkurven sind wichtig, da diese Kurven zum Teil die Bedingungen des vorgesehenen Kühlsystems definieren.

Abbildung 4: Dampfdruckkurven für Q8 Strawinsky 68/R22-Mischungen

Mit den obigen Dampfdruckkurven können Sie bestimmen, wie hoch der Druck für einen Verdampfungs- oder Kondensationsprozess sein wird, der das Grundprinzip des Dampf-Kompressions-Zyklus ist. Wenn eine Flüssigkeit kocht, entzieht sie ihrer Umgebung Wärme. Wird der so entstehende Dampf an einen neuen Ort transportiert und auf einen höheren Druck verdichtet, kann er bei einer entsprechend höheren Temperatur kondensiert werden und seine Kondensationswärme wird an die neue Umgebung abgegeben.

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Welche Öltypen werden für Kühlsysteme verwendet?

  • Alkylbenzole (AB): Diese Kältemaschinenöle weisen eine gute thermische und chemische Stabilität auf. Die Mischbarkeit mit Kältemitteln ist hoch. Alkylbenzole sind vollständig löslich mit Mineralölen und PAO, was die Herstellung von Gemischen zur Verbesserung der Schmiereigenschaften ermöglicht.
  • Polyalphaolefin (PAO): Diese Kältemaschinenöle haben eine gute chemische und thermische Stabilität. PAO hat auch hervorragende Viskositätstemperatureigenschaften. Die Mischbarkeit mit Kältemittel ist gering, weshalb PAO in der Kältetechnik hauptsächlich in Anwendungen eingesetzt wird, bei denen die Mischbarkeit keine Rolle spielt. PAO kann das Schrumpfen von Dichtungen zur Folge haben, was durch Mischen von PAO mit AB gelöst werden kann.
  • Polyolester (POE): Dieses Kältemaschinenöl ist die häufigste Art von synthetischem Schmierstoff, der mit FKW-Kältemitteln wie R134a verwendet wird.
  • Polyalkylenglykole (PAG): Diese Kältemaschinenöle weisen einen hohen Viskositätsindex und eine hohe thermische Stabilität auf. PAG ist jedoch hygroskopisch, d. h. es kann Wasser anziehen. PAG ist in Ammoniak löslich.
  • Mineralöl: Naphthenische Öle haben einen niedrigen Siedepunkt wodurch sie besser bei niedrigeren Temperaturen geeignet sind.

Das Kältemaschinenölsortiment von Q8Oils

Q8Oils verfügt über ein komplettes Produktportfolio. Das Sortiment basiert auf Naphthen, Alkylbenzolen, Gemischen aus PAO und Alkylbenzolen sowie synthetischen Polyolestern.

Fazit: Wählen Sie Ihr Kältemaschinenöl sorgfältig aus

Die Auswahl des richtigen Kältemaschinenöls hängt von den Spezifikationen des Kompressors und dem verwendeten Kältemittel ab.

Das Kältemaschinenöl sollte chemisch und thermisch stabil sein und mit dem Kältemittel nicht reagieren. Ebenfalls sehr wichtig ist, wie das Kältemaschinenöl mit dem Kältemittel interagiert (z. B. Löslichkeitseigenschaften) und wie das Gemisch im Kompressor reagiert. Schmierstoffbedingte Probleme können in einem Kältekompressor auftreten, wenn die Schmierstoffviskosität zu niedrig wird oder wenn kein Öl vorhanden ist.

Joris van der List

Von unserem Experten Joris van der List

Nach acht Jahren beim Q8Research-Institut in Rotterdam kam Joris van der List im Jahr 2011 zu Q8Oils. Als Maschinbau-Ingenieur bekleidet er die Position des Technology Manager und ist Experte für die Energiewirtschaft.

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