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.

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.

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).

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).

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.

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.