Tecnología de lubricación por refrigerante puro en compresores centrífugos sin aceite

Tecnología de lubricación por refrigerante puro en compresores centrífugos sin aceite

En los sistemas de aire acondicionado de grandes edificios y en algunos procesos industriales, la refrigeración se realiza con agua enfriada. En equipos enfriadores de gran tamaño, se utilizan compresores centrífugos para el ciclo de refrigeración. Normalmente, el eje del compresor está soportado por rodamientos hidrodinámicos lubricados con aceite. Ahora, SKF ha desarrollado una serie de rodamientos que utilizan el refrigerante para la lubricación.

Autores:
Guillermo E. Morales-Espejel, científico principal, Centro de ingeniería e investigación de SKF, Nieuwegein, Países Bajos
Rudolf Hauleitner, Jefe de proyecto,­ Oficina de desarrollo de SKF, Steyr, Austria
Hans H. Wallin, Jefe técnico estratégico de compresores de SKF en Estados Unidos, Lansdale, Pensilvania, EE. UU.

Lubricantes Maquinaria y equipo

Resumen

1. A lo largo de los años, SKF ha desarrollado una solución para rodamientos PRL que está disponible para su uso en equipos lubricados con refrigerante, como es el caso en los compresores sin aceite.

2. Esta solución se ha desarrollado mediante una cuidadosa selección de materiales, diseño y calidad, junto con experimentos y pruebas en laboratorio.

3. A medida que se introducen en el mercado nuevos refrigerantes, SKF investiga sus características e impacto en la tribología de rodamientos y adopta la tecnología de PRL para una implementación eficiente en aplicaciones de compresores.

En la década del noventa, investigadores del centro de ingeniería e investigación de SKF realizaron estudios para analizar la dilución de los aceites lubricantes en los refrigerantes y sus consecuencias en el rendimiento y vida útil de los rodamientos. En los compresores, resulta difícil evitar que el aceite se diluya en el refrigerante, y es importante comprender los efectos que ello comporta en las prestaciones de los rodamientos. Se comprobó que los rodamientos convencionales fabricados enteramente de acero empezaban a mostrar signos de lubricación inadecuada cuando la dilución alcanzaba unos niveles del 20 al 30%. Esto condujo a que se investigaran diseños alternativos para mejorar el funcionamiento y la vida útil en estas condiciones de lubricación deficiente. Los estudios mostraron que era difícil encontrar un ratio de dilución limitante en los rodamientos híbridos provistos de aros de acero y bolas de cerámica fabricadas de nitruro de silicio de calidad para rodamientos (Si3N4). Finalmente, en 1996, se usaron rodamientos híbridos en refrigerante puro, sin restos de aceite, y se comprobó al final de la prueba de viabilidad que su condición era como si fueran nuevos. Este fue un resultado decisivo que dio paso a la posibilidad de usar refrigerante como medio de lubricación en rodamientos especiales. Desde entonces se ha continuado con la labor de investigación y desarrollo de aplicaciones, que se ha coronado con la adición de varias características a los productos, con lo que se permitió un funcionamiento confiable a largo plazo.

 

Fig. 1: Enfriador de compresor centrífugo con dos impulsores giratorios.

Fig. 1: Enfriador de compresor centrífugo con dos impulsores giratorios.

En los estudios analíticos que siguieron, se comprobó que, de hecho, los refrigerantes podían formar una película lubricante elastohidrodinámica. Esto es posible porque, al igual que los aceites, los refrigerantes incrementan su viscosidad a la altísima presión formada en las zonas de contacto entre los elementos rodantes y los caminos de rodadura del rodamiento. No es un incremento tan notable como con los aceites, pero basta para producir una película lubricante muy delgada. Esta película sería inadecuada como lubricación en los rodamientos convencionales fabricados enteramente de acero, pero la combinación de material cerámico/de acero y otras características de los rodamientos híbridos recientemente desarrollados permiten conseguir un funcionamiento confiable con esa película tan delgada. Antes no se creía posible emplear refrigerantes como lubricantes debido a la viscosidad muy baja de la mayoría de ellos.

El desarrollo de rodamientos especializados capaces de funcionar adecuadamente empleando solo refrigerante como lubricante se denomina tecnología de “lubricación por refrigerante puro” (pure refrigerant lubrication, PRL). La PRL es una parte específica de un programa más amplio de SKF que abarca fluidos de viscosidad ultrabaja (ultra-low viscosity fluids, ULVF) usados para lubricar rodamientos (p. ej., combustibles, agua, combustibles de cohetes o gases licuados). SKF es propietaria de varias patentes relacionadas con PRL y ULVF.

 

Fig. 2: Disposición de rodamiento para enfriador de compresor centrífugo con dos impulsores giratorios.

Fig. 2: Disposición de rodamiento para enfriador de compresor centrífugo con dos impulsores giratorios.

Rodamientos PRL en compresores centrífugos
Un área de aplicación de los rodamientos lubricados con refrigerante son los enfriadores de los compresores [1] usados en grandes sistemas de aire acondicionado y procesos industriales. En ellos el agente refrigerante se usa en un ciclo de compresión de vapor para enfriar el agua, que luego se emplea como medio refrigerante en procesos industriales o para abastecer edificios con aire acondicionado. Los enfriadores de gran capacidad –de más de 300 toneladas de refrigeración (ton of refrigeration, TR)–, en general van equipados con compresores centrífugos. Normalmente en cada enfriador hay un solo compresor. Los del tipo centrífugo tienen uno o más impulsores giratorios (fig. 1). La velocidad de giro del impulsor está determinada por la velocidad periférica del impulsor requerido, y depende del tamaño y la capacidad del compresor, y del tipo de refrigerante utilizado. Los compresores que emplean refrigerantes de baja presión giran a menor velocidad que los modelos que usan refrigerantes de presión media o alta. Incluso en lubricación con aceite, las condiciones operativas de los rodamientos en compresores crean problemas de lubricación debido a la presencia del refrigerante. Los rodamientos del eje del impulsor son decisivos en el rendimiento y la eficiencia del compresor.

Los diseños de compresor tradicionales poseen rodamientos hidrodinámicos que utilizan aceite circulante en grandes cantidades para la lubricación y tienen sistemas para separar el aceite mezclado con el refrigerante, de modo que pueda emplearse el aceite para lubricar los rodamientos. Debido a que los refrigerantes suelen ser muy buenos disolventes, es difícil evitar que diluyan el aceite. Los rodamientos lubricados con aceite exigen menos flujo de aceite y poseen un momento de fricción más bajo, pero también precisan sistemas separadores para reducir la dilución de refrigerante en el aceite.

En consecuencia, la tecnología de PRL es muy atractiva en este caso [2] (figs. 1 y 2). El funcionamiento sin aceite también ofrece otras ventajas. No hay necesidad de dar mantenimiento al aceite, ni de desechar el aceite usado, ni riesgo de captación de aceite en el evaporador, así como tampoco necesidad de un calentador. Además, en enfriadores refrigerados por aire, no hay riesgo de contaminación del suelo en caso de rotura de tuberías.

 

Fig. 3: Esquema de contacto para la medición de espesor de película en el tribómetro WAM 5 de SKF.

Fig. 3: Esquema de contacto para la medición de espesor de película en el tribómetro WAM 5 de SKF.

Propiedades lubricantes de los refrigerantes
Comprender hasta qué punto un refrigerante puede formar una película lubricante en un contacto de rodadura sometido a grandes cargas, como sucede con el aceite, ha sido un avance fundamental en la tecnología de PRL. Los rodamientos se lubrican mediante el mecanismo de lubricación elastohidrodinámica (elastohydrodynamic lubrication, EHL) [3]. En otras palabras, debido a que los rodamientos dependen de contactos sometidos a grandes cargas, el lubricante muestra un incremento en la viscosidad al aumentar la presión, al mismo tiempo que se produce una deformación elástica de los cuerpos de acero para alojar el lubricante. Estos dos mecanismos se encargan de la formación de una delgada película de lubricante, de una a unas pocas micras de espesor en condiciones de EHL, que es capaz de separar los cuerpos en contacto en un caso normal de lubricación con aceite. No obstante, hasta hace poco se desconocía si alguno de los refrigerantes usados poseía esta propiedad de piezoviscosidad (incremento de la viscosidad por la presión) y en qué grado la rugosidad de los cuerpos y su deformación elástica afectaba la separación.

Es difícil estudiar los refrigerantes en condiciones “líquidas” a altas presiones, que es lo normal en contactos de EHL (presión de uno o más GPa). Sin embargo, en la actualidad se están presentando estudios y mediciones de propiedades lubricantes de los típicos refrigerantes de enfriadores [4, 5, 6]. Las propiedades, como viscosidad, piezoviscosidad, compresibilidad, tensión de corte y fricción de capa límite, son importantes para comprender el comportamiento de un refrigerante en un contacto de EHL.

 

Mediciones de espesor de película
En SKF [7] se han realizado mediciones de espesor de película con refrigerante R1233zd utilizando la técnica de interferometría del tribómetro WAM-5 de SKF (fig. 3). Con esta disposición, se ha demostrado que realmente se puede formar un espesor de película lubricante con este refrigerante (fig. 4).

En colaboración con SKF, INSA de Lyon (Francia) [6] también ha efectuado mediciones de espesor de película en un tribómetro de bola en disco fabricado en la empresa (geometría diferente de WAM-5) para el refrigerante HCFC-123, que también ha mostrado que este refrigerante forma una película lubricante (fig. 5).

Cuando se conocen las propiedades lubricantes de los refrigerantes [6, 7], pueden introducirse en modelos de regresión simples o en modelos numéricos sofisticados para hacer cálculos de espesor de película al igual que en cualquier otro contacto de EHL (fig. 6).

Fig. 6: Ejemplo de un cálculo numérico de espesor y presión de película para configuración de bola-disco

Fig. 6: Ejemplo de un cálculo numérico de espesor y presión de película para configuración de bola-disco de la fig. 3 para el refrigerante CFC-123 con una velocidad de arrastre de 2 m/s.

El contacto híbrido como característica esencial
En condiciones de lubricación deficiente, los rodamientos híbridos (aros de acero y elementos rodantes de Si3N4) ofrecen varias ventajas en comparación con los rodamientos fabricados enteramente de acero [8], principalmente debido a su coeficiente de fricción de capa límite intrínsecamente inferior y al hecho de que esos dos materiales distintos no se sueldan a temperaturas de fricción elevadas, a diferencia de los contactos de acero-acero. Por ello, desde un principio, SKF ha aplicado esa configuración de rodamiento en condiciones de PRL. Como ejemplo del éxito de los contactos híbridos en condiciones de PRL, en la referencia [7] se publican los resultados de la fricción de capa límite medida en un contacto híbrido (bola de Si3N4 y un disco de acero fabricado de acero inoxidable tratado con nitrógeno y sometido a temple total, según la especificación VC444 de SKF).

Los resultados se resumen en la fig. 7.

De la fig. 7 (izquierda), puede observarse que el coeficiente de fricción de capa límite en la curva de Stribeck solo es de 0,07; un valor muy bajo en comparación con los típicos contactos de aceite y acero-acero (hasta 0,15).

Fig. 7: Curva de Stribeck (izquierda), y curva de tracción (derecha) del refrigerante R1233zd, bolas de cerámica y acero inoxidable tratado con nitrógeno y sometido a temple total según la especificación VC444 (p=0,94 GPa) de SKF. Las flechas muestran la velocidad de arrastre (a) y el incremento y descenso del deslizamiento (b).

Fig. 7: Curva de Stribeck (izquierda), y curva de tracción (derecha) del refrigerante R1233zd, bolas de cerámica y acero inoxidable tratado con nitrógeno y sometido a temple total según la especificación VC444 (p=0,94 GPa) de SKF. Las flechas muestran la velocidad de arrastre (a) y el incremento y descenso del deslizamiento (b).

La solución de rodamientos en la PRL industrial
El resultado de diversas pruebas internas en SKF, experimentos en laboratorio y simulaciones [9] ha sido una solución de rodamiento confiable para enfriadores centrífugos en condiciones de PRL.

Se trata de una disposición compuesta de juegos adaptados de rodamientos de bolas de contacto angular híbridos (figs. 8 y 9), en la que cada rodamiento consta de:

(1) aros interiores y exteriores fabricados de acero inoxidable tratado con elevado contenido de nitrógeno y sometido a temple total según la especificación VC444 de SKF, y tratados térmicamente y rectificados hasta caminos de rodadura con superacabado mediante procesos desarrollados por SKF. El acero no solo tiene unas muy buenas propiedades para prevenir la corrosión, sino que también posee una microestructura superfina, con lo que se convierte en un material excelente para los rodamientos en aplicaciones extremadamente complejas;
(2) elementos rodantes fabricados de nitruro de silicio de la máxima calidad para rodamientos (Si3N4), y sometidos a los procedimientos más rigurosos de inspección de defectos de SKF [10];
(3) una jaula fabricada de material PEEK reforzado con fibra de vidrio.

Todo ello respaldado por la ingeniería de aplicaciones de expertos para definir las disposiciones de rodamientos, los métodos de lubricación, el grado de filtración, la precarga y las tolerancias.

Fig. 8: Rodamiento híbrido de contacto angular para aplicaciones extremas (aros interiores y exteriores para la especificación VC444 de SKF, bolas de cerámica, jaula de PEEK reforzada con fibra de vidrio).

Fig. 8: Rodamiento híbrido de contacto angular para aplicaciones extremas (aros interiores y exteriores para la especificación VC444 de SKF, bolas de cerámica, jaula de PEEK reforzada con fibra de vidrio).

La primera prueba práctica con compresores que incorporaban la tecnología de PRL usada en enfriadores de aire acondicionado sin aceite entró en servicio a principios de los años 2000; los enfriadores funcionaron bien y siguen en servicio actualmente. Un fabricante líder de equipos de aire acondicionado introdujo en el mercado, en 2002, enfriadores con compresores de PRL. Inicialmente hubo mucho entusiasmo por la eliminación del aceite y las ventajas ofrecidas por la PRL, pero pronto decayó. Según se comprobó, el motivo fue un interesante fenómeno que, a veces, puede observarse en el desarrollo y el marketing de productos. La demanda era baja porque en el mercado no había competencia para la tecnología de PRL. La situación cambió cuando (Danfoss) Turbocor introdujo su compresor centrífugo provisto de rodamientos magnéticos, y que no usaba aceite. Pronto otros fabricantes desarrollaron compresores con rodamientos magnéticos, con lo que surgió entonces un renovado interés por la PRL como una solución alternativa sin aceite. Se reanudó el desarrollo de compresores de PRL y se lanzaron en el mercado. Hoy existe un gran interés global por la tecnología de PRL.

Junto con el desarrollo de compresores por las empresas del sector, SKF ha intensificado la investigación y el desarrollo de la tecnología de PRL, tanto en investigación científica de tribología como en el desarrollo de tecnología de aplicaciones para rodamientos.

Fig. 9: Imagen tridimensional de disposición de rodamiento.

Fig. 9: Imagen tridimensional de disposición de rodamiento.

Referencias
[1] Wallin, H.H., Morales-Espejel, G.E., “Hybrid Bearings in Oil-Free Air Conditioning and Refrigeration Compressors” SKF Evolution, Núm. 2 2002, págs. 28-30. http://evolution.skf.com/hybrid-bearings-in-oil-free-air-conditioning-and-refrigeration-compressors/
[2] Pandy, D.R., Brondum, D., “Innovative, Small, High-Speed Compressor Technologies”, in Proceedings of the International Compressor Engineering Conference, Universidad de Purdue, artículo 1358, págs. 913-918, 1996. http://docs.lib.purdue.edu/icec/1358/
[3] Lugt, P.M., Morales-Espejel, G.E., “A Review of Elasto-Hydrodynamic Lubrication Theory”, Tribology Transactions, 54, págs. 470-496, 2011.
[4] Jacobson, B.O., Morales-Espejel, G.E., “High Pressure Investigation of Refrigerants HFC245fa, R134a and R123”, in Proceedings of the International Compressor Engineering Conference, Universidad de Purdue, artículo 1789, págs. 1-8, 2006. http://docs.lib.purdue.edu/cgi/viewcon tent.cgi?article=2788&context=icec
[5] Laesecke A., Bair S. “High-pressure viscosity measurements of 1,1,1,2-tetrafluoroethane”. Int. J. Thermophysics, 32, págs. 925–941, 2011.
[6] Vergne, P., Fillot, N., Bouscharain, N., Devaux, N., Morales-Espejel, G.E., “An Experimental and Modeling Assessment of the HCFC-R123 Refrigerant Capabilities for Lubricating Rolling EHD Circular Contacts”, Proc IMechE, Part J, J. of Eng. Tribology, vol. 229(8), págs. 950-961, 2015.
[7] Morales-Espejel, G.E., Meeuwenoord, R., Félix Quiñonez, A., Hauleitner, R., “Film Thickness and Traction Measurements of Refrigerant R1233zd Used as Lubricant in Elastohydrodynamic Conditions”, Proc IMechE, Part C, J. of Eng. Tribology, vol. 229(2), págs. 244-253, 2014.
[8] Brizmer, V., Gabelli, A., Vieillard, C., Morales-Espejel, G.E., “An Experimental and Theoretical Study of Hybrid Bearing Micropitting Performance under Reduced Lubrication”, Tribology Transactions, 58, págs. 829-835, 2015.
[9] Morales-Espejel, G.E., Gabelli, A., Vieillard, C. “Hybrid Bearings Lubricated with Pure Refrigerants”. In: SRM, Technical Screw Compressor Conference, Estocolmo, 4–7 September, 2001.
[10] Schöppl, O., “Developments in ceramic bearing balls”, SKF Evolution, Núm. 1. 2012, págs. 25-29. http://evolution.skf.com/developments-in-ceramic-bearing-balls/

Contenido relacionado