Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 3/ 2024 6 FacHartikEl FacHartikEl Was Kältemaschinen und Wärmepumpen gemeinsam haben Rüdiger Krethe, OilDoc GmbH Ob nun als Kühlschrank in der Küche oder als Klimaanlage im Auto - Kältetechnik ist aus dem Alltag nicht wegzudenken. Nehmen wir den Lebensmittelhandel mit ins Boot, kommen auch größere Kühlanlagen dazu, mit der chemischen und Prozess-Industrie umso mehr. Auch Wärmepumpen, vereinfacht als „umgekehrte Kältemaschine“ zu verstehen, sind in unserem Alltag zunehmend präsent. Oft verrichten Kältemaschinen ihren Dienst fast unbemerkt, für viele Stunden im Jahr, im Haushalt über Jahre hinweg wartungsfrei. Auch das in diesen Anlagen eingesetzte Schmieröl trägt dazu bei, dass diese Anlagen zuverlässig und wirtschaftlich arbeiten. Das Grundprinzip der Kältemaschine - der thermodynamische Kreisprozess Als findige Studenten hüllten wir seinerzeit Bierfässer mangels geeigneter Kühltechnik in feuchte Tücher, um diese durch die „Verdunstungskälte“ auf brauchbare Temperaturen abzukühlen. Die dabei trockener werdenden Tücher mussten regelmäßig wieder angefeuchtet werden. Nach einem Tag waren die Fässer gut gekühlt. Wasser wird auch heute noch als Kältemittel verwendet. Was uns damals fehlte, um den Prozess kontinuierlich laufen zu lassen: ein geschlossener Kreislauf mit Verdampfer- und Verdichterkreis. Um den thermodynamischen Kreisprozess „Kühlen - Wärmen - Kühlen - Wärmen …“ über die natürlichen Gegebenheiten hinaus zu nutzen und am Laufen zu halten, ist in den allermeist als Kompressions-Kältemaschine realisierten Anlagen ein Kompressor integriert. Das Kältemittel wird benötigt, da der Prozess des Rüdiger Krethe Rüdiger Krethe ist Geschäftsführer der OilDoc GmbH, der Akademie für Weiterbildung rund um Schmierstoffanwendung, Ölanalysen und proaktive Instandhaltung. Nach seinem Studium des Maschinenbaus und der Tribotechnik war er im Produktmanagement für Industrieöle einer Mineralölgesellschaft tätig. Anschließend leitete er 15 Jahre das Diagnose-Team von OELCHECK. Seit mehr als 30 Jahren gibt Rüdiger Krethe als IHK-zertifizierter Trainer in Seminaren sein Know-how zu Tribologie, Schmierstoffen und Ölanalysen erfolgreich weiter. Außerdem ist er seit der ersten Ausgabe aktives Mitglied des Redaktionsteams der Schmierstoff+Schmierung. Shell Corena S4 R 68 Optimieren Sie Ihren Betriebsablauf durch die Wahl des richtigen Druckluft-Kompressorenöls. Aufgrund eines geringeren Ölverbrauchs, weniger zu entsorgendes Altöl und verbesserte Wartungspraktiken. www.shell.de/ Schmierstoffe 2 -fache Ölstandzeiten Mehr als Stunden Verlängerung der Ölwechselintervalle von 5.000 auf 10. Alle Werte beziehen sich auf die Umstellung auf Shell Corena S4 R 68 in Zusammenarbeit mit Shell LubeAnalyst bei Pilsa Plastic Products Inc., Türkei. 50 % Einsparung bis zu Betriebskosten Wärmeübergangs in der Natur - von allein - nur in eine Richtung verläuft: Temperaturausgleich. Der wärmere Körper erwärmt den kälteren oder der kältere kühlt den wärmeren. Wie Kälte über die natürlichen Gegebenheiten hinaus im industriellen Maßstab erzeugt werden kann, war zunächst unbekannt. Das im geschlossenen Kreislauf geführte Kältemittel wird abwechselnd unter Abkühlung verdampft, kann jetzt zur Kühlung benutzt werden, nachfolgend komprimiert, dabei wieder erwärmt und verflüssigt und so weiter. Der Kompressor bzw. seine Antriebsquelle liefern die notwendige Energie, diesen Prozess wiederholt ablaufen zu lassen. Eine Kältemaschine ist ein anschauliches Beispiel dafür, dass sich verschiedene Energieformen ineinander umwandeln lassen. Bild 1 zeigt diesen Vorgang stark vereinfacht am Beispiel eines Kühlschranks. Nachstehend eine kurze Erläuterung: > Das Thermostat im Inneren des Kühlschranks steuert den Antrieb des Verdichters > Im Verflüssiger-Kreis liegt das (flüssige) Kältemittel unter hohem Druck vor > Das Kältemittel verdampft teilweise beim Passieren des Drosselorgans (Druckabfall → Abkühlung) > Das Rohrsystem des Verdampfer-Kreises führt das Kältemittel ins Kühlschrank-Innere > Das Kältemittel verdampft durch die Wärmeaufnahme vom Kühlschrank-Inneren (latente Wärme) > Der Verdichter komprimiert das Kältemittel anschließend, wodurch es sich erwärmt > Diese Wärme wird im Verflüssiger-Kreis an die Umwelt abgegeben, das Kältemittels wird wieder flüssig > Der Kreislauf startet erneut … Welche Aufgabe hat das Kältemaschinenöl dabei? Es übernimmt hauptsächlich die Schmierung der sich bewegenden Bauteile des Verdichters. Zu berücksichtigen ist, dass das Öl und das Kältemittel im direkten Kontakt stehen - beide durchströmen das Leitungssystem der Anlage gemeinsam. Dazu später mehr. Wie funktioniert eine Wärmepumpe? Eine Wärmepumpe funktioniert prinzipiell wie eine klassische Kältemaschine und benötigt ebenfalls ein Kältemittel. Vereinfacht funktioniert sie wie ein „umgekehrter“ Kühlschrank. Innerhalb des Kühlschranks werden die Lebensmittel gekühlt, das ist sein Zweck. Auf der Rückseite des Kühlschranks wird die entstehende Wärmeenergie in einem Wärmetauscher an die Umwelt abgegeben, übrigens auch im Sommer. Die Wärmepumpe fängt mit der „warmen Seite“ an: Sie entzieht einer natürlichen Wärmequelle, z. B. dem Erdboden, Wärmeenergie durch das bereits bei niedrigen Temperaturen verdampfende Kältemittel. Das verdampfte Kältemittel nimmt diese Energie auf und Anzeige Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 3/ 2024 8 Fachartikel | Was Kältemaschinen und Wärmepumpen gemeinsam haben wird in der anschließend stattfindenden Kompression weiter auf die gewünschte Temperatur erwärmt. Im Unterschied zum Kühlschrank wird nicht die Kälte, sondern die Wärme genutzt, beispielsweise um Heiz- oder Waschwasser zu erwärmen. Ein nicht unerheblicher Teil der erzeugten Wärme wurde der Umwelt entnommen. Moderne Wärmepumpen mit einer Leistungszahl von 4 liefern auf diese Weise 4 Watt Nutzenergie bei 1 Watt Leistungsaufnahme in Form von Elektro-Antriebsenergie für den Kompressor. Diese Zahl bezieht sich jedoch nur auf die Wärmepumpe selbst, unter bestimmten Betriebsbedingungen. Am besten gibt die Jahresarbeitszahl der Anlage deren Effizienz wieder, die aus dem Verhältnis der erzeugten Jahres-Wärmemenge und der dazu nötigen Gesamtstromaufnahme errechnet wird. Wärmepumpen werden nicht nur zur Erzeugung von Heiz- und Warmwasser in Gebäuden benutzt. Sie lassen sich in eine Vielzahl industrieller Systeme zur Steigerung der Energieeffizienz integrieren, bei- Bild 1: Vereinfachtes Grundprinzip einer Kompressionskälteanlage am Beispiel eines Kühlschranks Bild 2: Höchstmengen für das Inverkehrbringen von teilfluorierten Kohlenwasserstoffen gemäß Verordnung (EU) 2024/ 573 9 Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 3/ 2024 spielsweise in Waschmaschinen, Spülmaschinen oder Wäschetrockner. Zudem sind sie fester Bestandteil moderner Elektrofahrzeuge und erhöhen deren Reichweite deutlich. Kältemittel Nach DIN EN 378-1 ist ein Kältemittel ein „Fluid, das zur Wärmeübertragung in einer Kälteanlage eingesetzt wird, und das bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt und bei höherer Temperatur und höherem Druck Wärme abgibt, wobei üblicherweise Zustandsänderungen des Fluids erfolgen.“ Das erste industriell eingesetzte Kältemittel war Diethylether. Später wurde es - Carl Linde sei Dank - durch Ammoniak verdrängt, welches bis heute hauptsächlich in Großanlagen im Einsatz ist und ein sehr geringes Ozonschädigungspotenzial aufweist (GWP = Global Warming Potential). Kältemittel werden durch eine international genormte Kurzbezeichnung benannt. Sie beginnen mit dem Buchstaben „R“, der für das englische Wort „refrigerant“ (deutsch: Kältemittel) steht. Dem Buchstaben „R“ werden in der Regel 3 Zahlen nachgestellt. So stehen beispielsweise R-717 für Ammoniak, R-744 für Kohlendioxid, R-134a für ein fluorhaltiges kohlenwasserstoff basiertes synthetisches Kältemittel (HFKW). Details zu verschiedenen Kältemitteln sind in / 3/ aufgeführt. Die als nicht brennbare Alternative und daher als „Sicherheitskältemittel“ bezeichneten halogenhaltigen, kohlenwasserstoff-basierten Kältemittel wurden bereits in den 1930er-Jahren entwickelt. In den 1970er- und 1980er- Jahren wurde das ozonschädigende Potenzial dieser Mittel offenbar, was zu ihrer zunehmenden Beschränkung führte. In der EU-Verordnung (EU) 2024/ 573 über fluorierte Treibhausgase / 2/ wird der Verwendung dieser umweltschädigenden Kältemittel für eine Übergangsfrist eine schrittweise verstärkte mengenmäßige Begrenzung auferlegt, mit anschließendem Verwendungsverbot. Bild 2 zeigt die mengenmäßige Beschränkung dieser Kältemittel als Auszug dieser kurz auch „F-Gase-Verordnung“ genannten EU-Verordnung. Die gesetzlichen Vorschriften brachten einerseits „alte Bekannte“ zu einer Renaissance (z. B. Kohlendioxid) und legten andererseits den Fokus auch auf neue Kältemittel. Folgende Kältemittel mit niedrigem GWP-Wert werden empfohlen / 3/ : > Ammoniak (R-717 > Butan (R-600) > Isobutan (R-600a) > Kohlendioxid (R-744) > Luft (R-729) > Propan (R-290) > Propen (R-1270) > Wasser (R-718) Die Kältemaschine und ihr Öl Das Kältemaschinenöl muss die sich bewegenden Teile des Kältemittelverdichters schmieren, diese vor Korrosion schützen und je nach Verdichtertyp in unterschiedlichem Maße auch zur Kühlung und Abdichtung beitragen. Dabei sind eine hohe Zuverlässigkeit und die extrem lange Lebensdauer der geschmierten Bauteile inklusive des Schmieröls gefordert. In den meisten Haushaltsanwendungen wird das Kältemaschinenöl über die gesamte Lebensdauer der Anlage nicht gewechselt. Bei der Auswahl eines geeigneten Kältemaschinenöls sind grundsätzlich zu berücksichtigen: > Art der Kältemaschine > Verwendetes Kältemittel > Betriebsbedingungen  Anzeige Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 3/ 2024 10 Fachartikel | Was Kältemaschinen und Wärmepumpen gemeinsam haben Die Viskosität eines Schmieröls steht für die Fähigkeit, einen trennenden Schmierfilm zwischen den sich bewegenden Teilen zu bilden. Daher ist sie auch für Kältemaschinenöle die wichtigste physikalische Kenngröße. Die Viskosität ändert sich mit der Temperatur. Um eine ausreichende Schmierung sicherstellen zu können, darf sie über den gesamten Temperaturbereich nicht zu niedrig sein. Ist sie jedoch zu hoch, sind Förderbarkeit und Rückfluss zum Verdichter nicht gewährleistet. Das Schmieröl steht im gesamten Kreislauf unter stark wechselnden Temperatur- und Dampfdruckverhältnissen in direktem Kontakt zum Kältemittel. Daher kommt es für Kältemaschinenöle ganz besonders auf die chemische Beständigkeit und eine auf die Anlagen und die Betriebsbedingungen abgestimmte Mischbarkeit des Kältemittels mit dem Öl an. Es ist somit nicht verwunderlich, dass je nach Anforderungen unterschiedliche Grundöltypen oder auch Mischungen verwendet werden. Die Löslichkeit des Kältemittels im Öl hat ebenfalls einen Einfluss auf die Viskosität. Je nach vorliegender Temperatur und Dampfdruck stellt sich eine Mischviskosität ein. Sinkt die Viskosität zu stark, ist wiederum die Schmiersicherheit gefährdet. Ist die Viskosität zu hoch, kann zu viel Öl im Leitungssystem zurückbleiben. Letzteres ist nicht nur thermodynamisch unerwünscht. Fließt zu wenig Öl zum Verdichter zurück, ist die Schmiersicherheit stark gefährdet. Daher muss neben der Temperatur auch der Dampfdruck berücksichtigt werden, was mittels eines speziellen, kombinierten Viskositäts-Temperatur- und Viskositäts-Dampfdruck-Diagramm erfolgt („Daniel-Plot“). Tabelle 1 zeigt die wichtigsten Kennwerte eines Kältemaschinenöls und deren Bedeutung. Für weitere Details und Erläuterungen sei auf / 1/ verwiesen. Die Mindestanforderungen an Kältemaschinenöle sind in der DIN 51503-01 standardisiert. Den spezifischen Anforderungen bestimmter Kältemitteltypen folgend werden Kältemaschinenöle in verschiedene Gruppen eingeteilt (Tabelle 2). Die speziellen Anforderungen bestimmter Anlagentypen oder Anwendungsbereiche werden darüber hinaus durch Öl-Freigaben der Verdichterbzw. Anlagenhersteller abgedeckt. Der Einsatz eines vom Ankennwert Prüfnorm Bedeutung Kinematische Viskosität DIN EN ISO 3104 Hydrodynamische Schmierfähigkeit → Verschleißschutz, abh. von Temperatur, Druck (und Kältemitteleinfluss, → unten) Dichte DIN 51757 Masse eines Fluids im Verhältnis zum Volumen. Temperaturabhängig. Erlaubt auch ca.- Zuordnung zu Grundöltypen. Pourpoint DIN ISO 3016 Niedrigste Temperatur, bei der das Öl gerade noch fließt. Durch Kältemitteleinfluss sinkt der Wert jedoch. Flammpunkt DIN ISO 2592 Niedrigste Temperatur, bei der eine Zündquelle die über der Flüssigkeit stehenden Dämpfe entflammt. Sicherheitsrelevant. Farbzahl DIN ISO 2049 Färbung des Öls, durch Grundöltyp, Raffinationsgrad und Additivierung vorgegeben. Durch Alterung werden Öle dunkler. Neutralisationszahl DIN 51558 Menge saurer Bestandteile, angegeben in mgKOH/ g. Verändert sich durch Alterung, z. B. Anstieg bei Oxidation. Wassergehalt DIN 51777-2 Absoluter Wassergehalt (gelöst und frei) in ppm. Indirekte Methode, um Grundölbzw. Additiveinflüsse zu vermeiden. Mischbarkeit mit Kältemittel DIN 51514 Mischbarkeit in Abhängigkeit des Kältemittel-Anteils (→ Mischungslücken-Diagramm). Wichtig für Öltransport und Anlageneffizienz Kältemittelbeständigkeit ASHRAE 97-2007, DIN 51538 (NH 3 ) Chemische Beständigkeit des Öls gegen Kältemitteleinfluss bei hohen Temperaturen. Kinematische Viskosität unter Kältemitteleinfluss („p-VT-Diagramm“, Daniel-Plot) Veränderung der Viskosität des Öles bei verschiedenen Temperaturen und Dampfdrücken (Kältemitteleinfluss) Tabelle 1: Wichtige Kennwerte eines Kältemaschinenöls 11 Schmierstoff + Schmierung · 5. Jahrgang · 3/ 2024 Fachartikel-|-Was Kältemaschinen und Wärmepumpen gemeinsam haben Gruppe anwendungsgebiet KA Kältemaschinenöle für Verdichter mit Ammoniak nach DIN 8960 als Kältemittel (R717) KAA-- Kältemaschinenöle der Viskositätsklassen ISO VG 22 bis ISO VG 150 nach DIN ISO 3448, welche nicht mischbar mit Ammoniak sind KAB - Kältemaschinenöle der Viskositätsklassen ISO VG 46 bis ISO VG 100 nach DIN ISO 3448, welche mit Ammoniak teilweise oder vollständig mischbar sind KB Kältemaschinenöle der Viskositätsklassen ISO VG 32 bis ISO VG 320 nach DIN ISO 3448 für Verdichter mit C0 2 (Kohlenstoffdioxid) nach DIN 8960 als Kältemittel (R744) KC Kältemaschinenöle der Viskositätsklassen ISO VG 22 bis ISO VG 320 nach DIN ISO 3448 für Verdichter mit gesättigten und ungesättigten, teilhalogenierten Fluorchlorkohlenwasserstoffen (HFCKW / HCFO) nach DIN 8960 und ISO 817 und deren Gemische als Kältemittel KD Kältemaschinenöle der Viskositätsklassen ISO VG 7 bis ISO VG 460 nach DIN ISO 3448 für Verdichter mit gesättigten und ungesättigten. voll- und teilfluorierten Kohlenwasserstoffen (FKW/ HFKW/ UFO) nach DIN 8960 und ISO 817 und deren Gemische als Kältemittel KE Kältemaschinenöle der Viskositätsklassen ISO VG 5 bis ISO VG 460 nach DIN ISO 3448 für Verdichter mit Kohlenwasserstoffen (KW) nach DIN8960 und 150817 und deren Gemische als Kältemittel (z. B. R290, R600a, R1270) Tabelle 2: Kältemaschinenöle gemäß DIN 51503-1 lagenhersteller freigegebenen Kältemaschinenöls ist in der Regel Bestandteil der Gewährleistungsbedingungen. Kältemaschinenöle sind wahre Spezialisten. Sie sichern den zuverlässigen Betrieb von Kälteanlagen oder Wärmepumpen unter extremen Bedingungen bei sehr langen Ölstandzeiten. Es bedarf einer Menge an Know-how und Entwicklungsarbeit, um die vielen Anforderungen unter einen Hut zu bringen. In kritischen Anlagen werden Kältemaschinenöle regelmäßig untersucht, um Ölwechselintervalle risikolos den tatsächlichen Beanspruchungen anzupassen und anomale Ölveränderungen frühzeitig zu erkennen. Das ist nachhaltig und wirtschaftlich zugleich. In einem anderen Fachartikel dieser Ausgabe wird darüber berichtet. Weiterführende Informationen sind in der einschlägigen Fachliteratur, Standards und Fachseminaren verfügbar, beispielsweise in der OilDoc-Akademie. Literatur [1] Wolfgang Bock, Christian Puhl: Kältemaschinenöle. VDE-Verlag, Berlin, Offenbach, 2010, ISBN 978-3-8007- 3271-5 [2] Verordnung (EU) 2024/ 573 über fluorierte Treibhausgase, Umweltbundesamt, https: / / www.umweltbundesamt.de/ themen/ klima-energie/ fluorierte-treibhausgas e -fc k w/ r e c ht l ic h e -r e ge lu n ge n / e u-ve rord nu n gueber-fluorierte-treibhausgase#aktuelles, Zugriff am 16.07.2024 [3] Bitzer-Kältemittelreport: Quick-Guide, Ausgabe 10.2023, https: / / www.bitzer.de/ shared_media/ images/ topic-stories/ 2023_refrigera nts/ pa rt2/ K%C3%A4lte mittel-Report-Quick-Guide_2023-10-23.pdf, Zugriff am 16.07.2024 [4] Fuchs Lubricants Germany GmbH: Fuchs Reniso Kältemaschinenöle, Broschüre, Ausgabe 2022/ 2023 [5] Rüdiger Krethe: Handbuch Ölanalysen, expert-Verlag, 2020, ISBN 978-3816934998 »« Eingangsabbildung: © Chat-GPT Stand 424 Ecogreen Oleochemicals - Ihr verlässlicher Partner für Basisflüssigkeiten für Ihre Schmierstoffanwendung. Lubricant Expo in Düsseldorf, 17.-19. September 2024 Besuchen Sie uns am Stand 424 Kommen Sie auf uns zu. Gern finden wir auch gemeinsam maßgeschneiderte Lösungen. Ecogreen Oleochemicals GmbH Brambacher Weg 1 06861 Dessau-Roßlau info@ecogreenoleo.de Tel: 034901548460 www.dhw-ecogreenoleo.de R O D A L U B E ® Anzeige