Impact van smeermiddelen op de prestaties van warmtepompen op R290

Smering is noodzakelijk voor de goede werking van een compressor. De aanwezigheid van olie in het koelcircuit verlaagt echter de prestaties; het is een volume dat wordt rondgepompt zonder dat het bijdraagt aan de opname of afgifte van warmte. Het is dus van belang dat de hoeveelheid olie zo laag mogelijk wordt gehouden. Propaan heeft wat dit betreft andere eigenschappen dan de gangbare synthetische koudemiddelen. Een team van de universiteiten van Valencia (Spanje) en Dresden (Duitsland) onder leiding van Rubén Ossorio ging na wat het effect van smeermiddelen op warmtepompen met dit koudemiddel was.

Een noodzakelijk kwaad

Zonder smering werkt een compressor niet, maar in de rest van het koelcircuit is smeerolie ongewenst. De olie wijzigt de thermodynamische eigenschappen van het koudemiddel, vermindert de warmte-overdracht en kan zelfs onderdelen zoals expansieventielen blokkeren. Bij compressoren met variabel toerental komt daar nog bij dat de hoeveelheid olie die circuleert, afhankelijk is van het toerental. De oliecirculatie wordt namelijk aangedreven door de compressoras: hoe hoger het toerental, hoe meer olie. Als een systeem ontworpen is om voldoende smering te garanderen bij lage toerentallen, zal er te veel olie zijn bij hogere toerentallen.

Aspecten van rendementsverlies

Om na te gaan hoe groot het effect was, onderzocht het team drie deelaspecten

Allereerst is er het effect op de warmte-overdracht. Omdat de olie vloeibaar blijft in de verdamper, zal het rendement van deze component dalen. Dat is vooral merkbaar aan de uitgang van de verdamper. Naarmate het vloeibare koudemiddel verdampt, wordt het aandeel van olie namelijk groter.

Ten tweede is er het opgeloste koudemiddel in de olie. De hoeveelheid koudemiddel die in oplossing blijft, draagt niet meer bij tot het thermodynamisch proces.

Ten derde is er het gedrag van de olie in de compressor zelf. De olie zal een deel van de compressorwarmte opnemen. Daarbij zal het koudemiddel dat in oplossing is, opnieuw verdampen. Beide effecten kosten energie, die niet meer beschikbaar is voor het verwarmingscircuit.

Resultaten

In gangbare werkingsomstandigheden zorgde de lagere warmte-overdracht voor een daling van de COP met 4,3%, voor een oliegehalte van 5% (R290 met POE68). Dit effect wordt sterker naargelang de verdampingstemperatuur daalt en het oliegehalte stijgt. Het opgeloste koudemiddel in de olie zorgt voor een extra daling met ongeveer 1% van de COP, in normale werkingsomstandigheden. Het grootste verlies treedt echter op in de compressor zelf, waar de COP met 15% kan dalen. Dat is te wijten aan energie die verspild wordt door de opwarming van de olie.

Alles samen betekent dit dat een te hoog oliegehalte de COP bij hoge toerentallen met 20% kan doen dalen. De onderzoekers raden dan ook aan om het oliepompsysteem aan te passen om de hoeveelheid olie in het circuit te beperken. Tevens worden er best olie-afscheiders of andere componenten geplaatst om te voorkomen dat er te veel olie in de warmtewisselaars raakt. Een efficiënt oliegebruik betekent ook dat er minder koudemiddel nodig is, wat belang is gezien de beperkingen op de inhoud van circuits met propaan.

Deze studie verscheen in Revue International du Froid/International Journal of Refrigeration en kan geraadpleegd worden op

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0140700722003693?via%3Dihub

https://doi.org/10.1016/j.ijrefrig.2022.10.003

Door Alex Baumans

Bron: IIR