1. Dlaczego chłodniki i oleje chłodnicze skracają żywotność uszczelek typu O-ring

O-ringi w systemach chłodniczych podlegają jednocześnie trzem działaniom.

Po pierwsze, rozprężaniu lub ekstrakcji przez medium. Małe cząsteczki czynnika chłodniczego przenikają do sieci gumy, powodując zmiany masy, objętości, twardości, wytrzymałości na rozciąganie oraz wydłużenia; olej chłodniczy może również przenikać do gumy i usuwać plastyczatory oraz dodatki, co powoduje najpierw mięknięcie, a następnie utwardzenie materiału lub jego skurcz po zaprzestaniu działania czynnika chłodniczego. Dane Chemours dotyczące R134a wyraźnie wskazują, że nie należy oceniać zjawisk obrzęku, utraty plastyczatorów oraz zmian właściwości mechanicznych wyłącznie na podstawie jednego czynnika chłodniczego, ponieważ żadna pojedyncza rodzina gum nie obejmuje wszystkich substytutów czynników chłodniczych.

Po drugie, słaba odporność na cyklowanie termiczne, niska zdolność odbijania w niskich temperaturach oraz awarie spowodowane ustawieniem się pod obciążeniem. Zastosowania w warunkach zimna, w parowniku oraz po stronie ssawnej wymagają niskiego ustawienia się pod obciążeniem; podobnie niskie ustawienie się pod obciążeniem jest wymagane w wysokotemperaturowych warunkach pracy sprężarki, przewodu tłocznego oraz pomp ciepła. Stopień, w jakim O-kręg długotrwałe obciążenie ściskające nie jest w stanie odzyskać swojej pierwotnej postaci, stanowi podstawową miarę siły uszczelniającej; im większa wartość, tym łatwiej traci się siłę uszczelniającą.

Po trzecie, ryzyko związane z cyklowaniem ciśnienia oraz szybkim dekompresowaniem. Systemy HFC/HFO koncentrują się głównie na rozpuszczalności, przesiąkaniu i odkształceniu permanentnym; w systemach CO₂/R744 należy również zwracać uwagę na uszkodzenia spowodowane szybką dekompresją — cząsteczki CO₂ przenikają do gumy pod wysokim ciśnieniem, a nagła redukcja ciśnienia może powodować wewnętrzne pęcherzykowanie gumy, pęknięcia lub nawet rozerwanie pierścienia uszczelniającego typu O-ring.

2. Dobór materiałów w pierwszej kolejności w zależności od systemu chłodniczego

A. R134a / HFC + PAG lub POE: Główny scenariusz zastosowania w klimatyzacji samochodowej oraz tradycyjnych systemach chłodniczych

R134a jest zwykle stosowany razem z olejem PAG w klimatyzacji samochodowej oraz z olejem POE w lodówkach, kompresorach i urządzeniach pracujących przy częściowym obciążeniu. W przypadku pierścieni uszczelniających typu O-ring materiał musi zostać zweryfikowany łącznie pod kątem zgodności z chłodziwem HFC, olejem PAG/POE, starzeniem termicznym, odkształceniem permanentnym oraz utratą właściwości podczas montażu. Dane firmy Chemours wskazują, że zgodność R134a z gumą, metalami i elastomerami wymaga weryfikacji indywidualnej dla każdego projektu; rozpuszczalność HFC-134a w oleju POE jest zazwyczaj określana przez producenta kompresora lub urządzenia (OEM) na podstawie testów.

Zalecane kierunki działania:

W Parker w podręczniku O-Ring Handbook związki CR są oznaczone jako powszechnie stosowane dla chłodników R134a lub R22 oraz podobnych chłodników; typowy zakres temperatur statycznych to od −40 do 100 °C; zakres temperatur HNBR wynosi zwykle od −35 do 150 °C; standardowe gatunki NBR obejmują głównie zakres od −35 do 100 °C; EPDM jest powszechnie stosowany w zakresie od −50 do 150 °C. To warstwowe rozmieszczenie temperatur wyjaśnia: NBR może być tani, ale w długotrwałych zastosowaniach klimatyzacji samochodowej – przy wysokich temperaturach, obecności tlenu oraz wymaganiach dotyczących odkształcenia trwałego – nie powinien być wybierany domyślnie.

B. R1234yf / HFO + PAG lub POE: Pojazdy z napędem alternatywnym, klimatyzacja pojazdów osobowych, systemy pomp ciepła

R1234yf to chłodnik HFO, który stał się ważnym kierunkiem zastępczym w klimatyzacji samochodowej. Dane firmy Chemours określają Opteon YF jako R-1234yf/HFO-1234yf; jest on zaklasyfikowany jako A2L zgodnie z normami bezpieczeństwa ASHRAE i ISO 817: jego właściwości eksploatacyjne i wydajność są podobne do R134a, jednak należy stosować specjalnie przeznaczone oleje PAG lub POE dedykowane R1234yf, a nie można go traktować jako prostego rozwiązania do modernizacji.

W zakresie zgodności materiałów dane firmy Chemours dotyczące testów zgodności elastomerów przy stałym odkształceniu w temperaturze 100°C przez 2 tygodnie, porównujące R1234yf i R134a, wykazały, że HNBR wykazywał większe zmiany masy po zanurzeniu w R134a, podczas gdy zmiany masy były mniejsze po zanurzeniu w HFO-1234yf; zmiany masy EPDM były wyraźnie wyższe niż dla materiałów typu HNBR, NBR, EPDM i CR. Viton® okazał się najbardziej odporny, jednak różne producenty oraz metody wytwarzania mogą dawać odmienne wyniki, dlatego informacje te powinny być dostarczane przez dostawców materiałów.

Rekomendacje doboru:

Uwaga: system R134a nie może być po prostu zamieniony na R1234yf, a R1234yf nie może być mieszany z R134a. Chemours wyraźnie stwierdza, że system R1234yf posiada unikalne elementy łączeniowe; mieszanie czynników chłodniczych stanowi zanieczyszczenie krzyżowe, a komponenty systemu są zaprojektowane do konkretnego czynnika chłodniczego.

C. Mieszanka chłodnicza HFC/HFO + oleje POE/PVE: pompy ciepła, chłodnictwo komercyjne, systemy chłodnicze

Pompy ciepła oraz urządzenia do chłodnictwa komercyjnego wykorzystują najczęściej chłodnice HFC, HFO lub mieszanki HFC/HFO, przy czym większość produktów używa olejów POE, PAG lub specjalnych mieszanek olejowych. W tym przypadku wnioski dotyczące materiałów R134a lub R1234yf nie mogą być bezpośrednio stosowane do systemów z R410A, R32, R454B, R513A, R1234ze i podobnych, ponieważ różnią się od siebie polaryzacja, ciśnienie pary, temperatura pracy oraz rozpuszczalność oleju w chłodnicy i skład dodatków.

Logika początkowego doboru:

Cel normy ASHRAE Standard 97 polega na ocenie zgodności materiałów uszczelniających z materiałami stosowanymi w systemach chłodniczych za pomocą testu w zamkniętych szklanych rurkach; w rurce umieszcza się czynnik chłodniczy, olej smarowy oraz badane materiały, po czym rurkę poddaje się starzeniu, a następnie przeprowadza analizę jakościową lub ilościową w celu oceny zgodności lub stabilności chemicznej.

D. CO₂ / R744 + PAG, POE lub PAO: wysokociśnieniowa pompa ciepła, chłodnictwo komercyjne, pompa ciepła samochodowa

CO₂/R744 to inna kategoria problemu. Jego korozja chemiczna nie musi być silna, ale ryzyko wysokiego ciśnienia, przesiąkania oraz eksplozyjnego dekompresowania jest bardzo duże. Dane materiałowe Parker dotyczące uszczeleń do systemów klimatyzacji z CO₂ wskazują, że ciśnienie robocze systemu R744 jest znacznie wyższe niż w przypadku R134a; ciśnienie robocze R744 może osiągać 150–160 bar, a temperatura – 180 °C; dobór miękkich materiałów uszczelniających musi uwzględniać odporność na eksplozyjne dekompresowanie.

Parker wymienia następujące materiały do uszczeleń w systemach klimatyzacji z CO₂: EPDM, FKM, HNBR oraz EPDM/BIIR i podkreśla, że materiały te muszą zapewniać zakres temperatur od −55 do +200 °C, być zgodne z olejami PAG/PAO/POE, charakteryzować się niską przepuszczalnością oraz doskonałą odpornością na eksplozyjne dekompresowanie.

Zalecenia doboru R744:

Do CO₂/R744 nie można stosować typowych zamienników uszczelek samochodowych do klimatyzacji. Nawet jeśli nazwa materiału jest taka sama (HNBR lub EPDM), konieczne jest rozróżnienie, czy jest to specjalna, niskoprzepuszczalna i odporna na eksplozyjną dekompresję formuła dedykowana R744.

3. Jak porównać materiały

HNBR: Główny wybór do klimatyzacji samochodowej

Zaletą HNBR jest dobra odporność na oleje, odporność na wysokie temperatury, wytrzymałość mechaniczna oraz niski współczynnik odkształcenia trwałego – wszystko w jednym materiale. W układach chłodniczych z R134a, R1234yf oraz olejami PAG i POE HNBR jest zwykle preferowanym materiałem do uszczelek typu O-ring w klimatyzacji samochodowej, statycznych uszczelek sprężarek oraz uszczelek zaworów sterujących. Dane firmy Parker wskazują, że wiele gatunków HNBR obejmuje zakres temperatur od −35/−40 °C do 150 °C, a niektóre gatunki o obniżonej temperaturze przeznaczenia są specjalnie oznaczone do zastosowań w niskotemperaturowych warunkach.

Zastosowanie: klimatyzacja samochodowa, przewody z R134a/R1234yf, statyczne uszczelki sprężarek, część systemów pompy ciepła.

Uwaga: Zawartość ACN w HNBR, stopień uwodorowania, rodzaj układu sieciowania oraz układ wypełniaczy znacząco wpływają na zdolność do odbijania się w niskich temperaturach oraz na zmiany w zakresie rozprężania i odkształcenia trwałego.

EPDM: Dobra odporność na niskie temperatury, ozon oraz starzenie termiczne – ale odporność na oleje wymaga potwierdzenia

Właściwości EPDM w niskich temperaturach, odporność na ozon oraz odporność na starzenie termiczne są dobre; w porównaniu R134a/R1234yf firmy Chemours wybór zmiany masy dla EPDM jest stosunkowo niewielki. Jednak EPDM nie jest naturalnie odpowiedni dla wszystkich typów olejów, zwłaszcza specjalnego EPDM przeznaczonego do R744 „odpornego na wszystkie oleje PAG/POE/dodatkowy czynnik chłodniczy”, który wymaga dedykowanej formuły. EPDM przeznaczony specjalnie do R744 lub mieszanka EPDM/BIIR mogą być kandydatami do systemów wysokociśnieniowych z CO₂, ale należy je oceniać indywidualnie w każdym przypadku.

FKM: materiał odporny na wysokie temperatury i o niskiej przepuszczalności, ale nie uniwersalny dla R134a/R1234yf

Zaletami FKM są odporność na wysokie temperatury, odporność na starzenie, niska przepuszczalność gazów oraz szeroka kompatybilność chemiczna; dane firmy Parker wskazują, że marki Viton® są stosowane w warunkach wysokich temperatur, gorących olejów, rozpuszczalników aromatycznych oraz szerokich środowisk chemicznych; w teście elastomerów przy stałym odkształceniu dla R1234yf/R134a firmy Chemours zmiana masy Viton® była wyraźnie mniejsza niż dla HNBR, NBR, EPDM i CR.

Dlatego FKM w systemach chłodniczych powinien odpowiadać konkretnemu markowi i być zweryfikowany dla określonych mediów, a nie powinien być rozumiany jako «FKM to materiał wysokiej klasy, więc nadaje się do wszystkich czynników chłodniczych».

NBR: Niski koszt, ale niezalecany jako wybór domyślny w długotrwałych systemach klimatyzacji samochodowej

NBR jest tani, wykazuje dobrą odporność na oleje mineralne oraz pewną stabilność produktu, jednak jego odporność środowiskowa – na ciepło, ozon oraz długotrwałe odkształcenie pod obciążeniem – jest ogólnie słabsza niż u HNBR. Na wykresie firmy Parker zakres temperatury pracy NBR wynosi zazwyczaj od −35 do 100 °C. Może być stosowany w scenariuszach, gdzie priorytetem jest niski koszt oraz niskie wymagania dotyczące temperatury i ciśnienia, ale nie jest zalecany jako wybór domyślny w systemach klimatyzacji samochodowej z czynnikiem chłodniczym R1234yf, w pompach ciepła ani w strefach wysokiej temperatury sprężarek.

CR: Tradycyjne czynniki chłodnicze mogą być stosowane, ale możliwości działania w wysokiej temperaturze są ograniczone

CR / gumka chloroprenowa ma długą historię zastosowania w tradycyjnych chłodnicach; na wykresie firmy Parker CR oznaczono również jako materiał często stosowany z R134a lub R22, przy typowym górnym limicie temperatury wynoszącym około 100 °C. W nowoczesnych systemach klimatyzacji samochodowej oraz pompach ciepła działających w wysokiej temperaturze CR często nie jest już preferowanym rozwiązaniem.

VMQ / FVMQ: dobre właściwości w niskich temperaturach, ale wymagają ostrożności pod względem wysokiego ciśnienia i przepuszczalności

Gumka krzemionkowa i fluorokrzemionkowa mają niską elastyczność w niskich temperaturach, co czyni je odpowiednimi do niektórych statycznych uszczeleń niskotemperaturowych. Ich wytrzymałość mechaniczna, odporność na rozdarciu oraz odporność na przepuszczanie gazów i wypchnięcie pod wysokim ciśnieniem są zwykle niższe. W układach chłodniczych powinny być stosowane wyłącznie do statycznych uszczeleń obciążonych niskim naprężeniem, a pełne weryfikacje szczelności i cykli termicznych są obowiązkowe.

4. Projekt nie może opierać się wyłącznie na zastępczych materiałach

Awaria uszczelek typu O-ring w systemach chłodniczych wynika często nie tylko z wyboru materiału, lecz z połączenia wpływu materiału, kształtu rowka i procesu montażu.

Margines rozprężania. Podręcznik Parker wskazuje, że czasem dopuszczalne jest statyczne puchnięcie uszczelki o 25–30% objętościowo, natomiast dynamiczne puchnięcie medium uszczelkowego zwykle nie powinno przekraczać 10%; nadmierne puchnięcie zwiększa ryzyko wypchnięcia przy zmniejszeniu nacisku.

Odporność na wypychanie. W układach wysokociśnieniowych, sprężarkowych oraz CO₂/R744 należy zmniejszyć luz wypychania i stosować pierścienie wsporcze tam, gdzie to konieczne; wysokie ciśnienie przesuwa pierścień O-ring w kierunku luzu po stronie niskiego ciśnienia, co prowadzi do wypychania, a pierścienie wsporcze zmniejszają to ryzyko.

Wybór twardości. twardość 70A jest powszechnie stosowana w ogólnych zastosowaniach statycznych oraz w połączeniach rur klimatyzacji samochodowej; twardość 80A stosuje się przy wyższych ciśnieniach lub surowszych wymaganiach montażowych; twardość 90A jest powszechnie stosowana w układach CO₂/R744, w sprężarkach wysokociśnieniowych lub tam, gdzie wymagana jest odporność na wypychanie, jednak zdolność do odprężania w niskich temperaturach oraz skuteczność uszczelniania podczas montażu mogą się obniżyć.

Weryfikacja w niskich temperaturach. Nie można patrzeć tylko na "-40°C" na arkuszu materiału. W przypadku pomp ciepła samochodowych i prób chłodzenia niskiej temperatury należy sprawdzić TR10, odbicie kompresji niskiej temperatury, wyciek z zimnego uruchomienia i wyciek z cyklu termicznego; utrwalenie gumowe niskiej temperatury, niewystarczająca kompres

Powierzchnia i montaż. Pierścienie O-ringi z łączami rur często mają problemy z cięciem, skręcaniem, suchym montażem i tarciem instalacji. W przypadku, gdy systemy R1234yf i CO2 nie są zgodne z normą zgodności, należy stosować systemy o temperaturze temperatury nieprzekraczającej 5 °C.

5. Nie. Zalecana procedura weryfikacji

Wybór pierścieni O dla środków chłodniczych i oleju chłodniczego jest zalecany w celu wykonania co najmniej czterech kategorii weryfikacji:

ASTM D471 obejmuje jakość, objętość, twardość, wytrzymałość na rozciąganie i zmianę wydłużenia gumy po zanurzeniu w cieczy i jest podstawową metodą sprawdzania kompatybilności oleju chłodniczego. Jednakże sam środek chłodniczy nie jest jedynym istotnym płynem, a badania powinny być przeprowadzane wraz z badaniem koegzystencji czynnika chłodniczego i oleju pod ciśnieniem. Trelleborg przypomina również, że tabele zgodności oparte są na danych publicznych i badaniach laboratoryjnych, a krótkoterminowe badania w temperaturze pokojowej nie mogą w pełni odzwierciedlać warunków terenowych; użytkownicy powinni potwierdzić to poprzez rzeczywiste badania aplikacji.

Systemy wysokiego ciśnienia CO2/R744 powinny również zawierać badania dekompresji wybuchowej RGD/AED. ISO 23936-2 i NORSOK M710 odnoszą się do potwierdzenia kwalifikacji materiałów niemetalicznych, gdzie NORSOK M710 załącznik B jest dokładnie szybkim badaniem dekompresji gazu, zwanym również badaniem dekompresji materiałów wybuchowych.

6. Nie. Zalecenia dotyczące selekcji w stosunku do klientów

Klienci z branży klimatyzacji samochodowej

Uszczelki pierścieniowe typu O-ring do połączeń rur R134a lub R1234yf; pierwszeństwo mają materiały HNBR o twardości 70A/80A; dla połączeń po stronie wysokiego ciśnienia oraz połączeń sprężarek można rozważyć HNBR o twardości 80A/90A. W przypadku pomp ciepła w pojazdach nowej generacji oraz sprężarek elektrycznych należy niezależnie potwierdzić stosowanie oleju POE lub specjalnego oleju PAG – nie wolno opierać się wyłącznie na doświadczeniach z układami chłodniczymi pojazdów spalinowych (R134a/PAG).

Klienci z branży pomp ciepła

Trudność konstrukcyjna układów pomp ciepła wynika z szerokiego zakresu temperatur pracy (od niskich do wysokich), co wymaga jednoczesnego zapewnienia odporności na niskie temperatury po stronie ssania (odskok niskotemperaturowy) oraz odporności na wysokie temperatury po stronie tłoczenia (kompresja w wysokiej temperaturze). Zaleca się priorytetową ocenę materiałów odpornych na niskie temperatury: HNBR, EPDM oraz sprawdzonych gatunków FKM – nie należy ograniczać się wyłącznie do zaleceń wynikających z typowych tabel zgodności z medium.

Klienci z branży sprężarek

Znaczenie mają uszczelki sprężarek pod kątem odporności na wysokotemperaturowe oleje chłodnicze, rozpuszczalność w czynnikach chłodniczych, impulsy ciśnienia oraz długotrwałą deformację trwałej (kompresyjną). Najczęściej stosuje się HNBR; w strefie wysokich temperatur można ocenić specjalne gatunki FKM, lecz należy je zweryfikować w rzeczywistych olejach chłodniczych i czynnikach chłodniczych. Sprężarki CO₂ wymagają projektowania zgodnie z logiką uszczelniania pod wysokim ciśnieniem R744.

Klienci wyposażenia chłodniczego CO₂/R744

Należy uprzednio zażądać od dostawcy danych dotyczących formuły dedykowanej do R744/CO₂, w tym odporności na eksplozyjne dekompresje, niskiej przepuszczalności, cykli ciśnienia, odbijania w niskich temperaturach oraz zgodności z olejami PAG/POE/PAO. Ogólne nazwy materiałów – HNBR, EPDM lub FKM – nie stanowią wystarczającego dowodu.

7. Obszary, które należy jednoznacznie potwierdzić w komunikacji zakupowej lub technicznej

Przy żądaniu ofert od dostawców części uszczelniających należy co najmniej podać następujące informacje:

8. Najczęstsze błędy

Błąd pierwszy: uwzględnianie wyłącznie czynnika chłodniczego, a nie oleju chłodniczego. Właściwości rozprężania i niskotemperaturowe PAG, POE, PAO i PVE różnią się od siebie; olej często decyduje o rozprężaniu i utwardzaniu gumy bardziej niż czynnik chłodniczy.

Błąd numer dwa: Bezpośrednie przenoszenie doświadczenia z R134a na R1234yf. Właściwości R1234yf są zbliżone do R134a, ale system, olej, wymagania bezpieczeństwa dotyczące klasy A2L oraz interfejs serwisowy są zupełnie inne; materiały muszą być również niezależnie zweryfikowane pod kątem ich zgodności z R1234yf i określonym olejem.

Błąd numer trzy: Przekonanie, że FKM zawsze jest lepszy niż HNBR. FKM ma zalety w warunkach wysokiej temperatury i niskiej przepuszczalności, ale w testach doboru dla R134a/R1234yf zmiana masy Viton® niekoniecznie jest najmniejsza; należy sprawdzić konkretną formułę oraz wyniki rzeczywistych testów.

Błąd numer cztery: Dobór CO₂/R744 wyłącznie na podstawie zgodności chemicznej. Głównym ryzykiem R744 jest wysokie ciśnienie, przepuszczalność, szybkie dekompresowanie, odporność na wyciskanie oraz odbijanie się w niskich temperaturach; zwykłe tabele zgodności z chłodnikami nie wystarczają.

Błąd numer pięć: Traktowanie koloru jako dowodu na rodzaj materiału. Zielone pierścienie uszczelniające są powszechne w układach klimatyzacji samochodowej z HNBR, ale kolor nie stanowi dowodu na rodzaj materiału; należy sprawdzić gatunek materiału, partię, twardość, raport z testów oraz weryfikację zastosowania.