La importancia de la eficiencia energética y de los recursos, especialmente en la producción industrial y el suministro de energía, es una cuestión que hoy está más que nunca en el orden del día. A pesar de los avances tecnológicos, se sigue derrochando mucha energía por todo el mundo a causa de las pérdidas por fricción mecánica y dinámica de los fluidos en la maquinaria rotativa, como compresores, turbinas, sopladores y bombas. Aquí presentamos descripciones y ejemplos de la vida real donde podrían obtenerse considerables ahorros en energía y costos sustituyendo los rodamientos hidrodinámicos con película de fluido por rodamientos modernos con elementos rodantes.

Los equipos industriales, como bombas, compresores y sopladores, pueden funcionar de 4000 a 8000 horas al año, lo que implica que la energía eléctrica para accionarlos generalmente sea, por mucho, el mayor costo de su ciclo de vida (LCC) y emisiones. En muchos casos, un poderoso medio para mejorar su eficiencia energética es el uso de equipos de velocidad variable (VSDs) de transmisión directa, y la selección de un diseño cuidadoso de impulsor, rodamientos y sistemas de sellado.

Durante miles de años, la humanidad ha utilizado elementos rodantes (barras, rodillos, bolas) para reducir la fricción y las pérdidas de calor en la maquinaria de transporte y rotativa, y para obtener una colocación confiable y precisa de los ejes rotativos. Es por ello que los rodamientos, a veces, también se denominan rodamientos antifricción o de precisión. Sin embargo, por diferentes razones técnicas e históricas, en el mundo se siguen usando muchos “rodamientos de fricción”, también denominados rótulas, rodamientos deslizantes, lisos, de película de fluido o con segmentos basculantes, o más específicamente, rodamientos hidrodinámicos o hidrostáticos.

En tiempos pasados, la limitada calidad de los materiales y diseños, así como las posibilidades de fabricación, al igual que las normas específicas para la industria, como las del American Petroleum Institute (API) para el sector petroquímico, disuadían a los fabricantes de maquinaria de hacer un mayor uso de rodamientos en maquinaria como compresores y bombas de gran tamaño y/o alta velocidad. No obstante, los rodamientos con elementos rodantes y métodos modernos de lubricación permiten sustituir muchos sistemas de rodamientos deslizantes aún en uso, y generar enormes ahorros en energía de accionamiento y en el costo de la maquinaria, la lubricación y el mantenimiento.

Rodamientos hidrodinámicos frente a rodamientos con elementos rodantes

Los rodamientos hidrodinámicos dependen de la película de fluido (aceite) que separa la superficie de acero del eje rotativo del soporte fijo, utilizando los principios largamente conocidos de la lubricación hidrodinámica. Un rodamiento hidrodinámico bien lubricado no muestra prácticamente signos de fatiga ni desgaste mecánico, y proporciona más amortiguación de película de fluido que los rodamientos de bolas o rodillos. Gracias a la película de aceite, que es relativamente espesa, la suciedad y otras partículas tienen un menor impacto en su rendimiento debido a que las partículas duras quedan parcialmente integradas en el material más blando del manguito o amortiguador, y por ello, no pueden dañar las contracaras.

No obstante, en los rodamientos hidrodinámicos, la holgura es mayor, y los arranques y paradas frecuentes o el funcionamiento a muy baja velocidad les ocasionan desgaste y rayas, como puede suceder en aplicaciones de accionamiento con sistemas de frecuencia variable. Cuando el aceite lubricante es de baja viscosidad o queda muy diluido por el líquido procesado, puede suceder que la película lubricante formada ya no sea suficiente para un buen rendimiento de los rodamientos hidrodinámicos, especialmente en los de empuje con segmentos basculantes. A este respecto, los rodamientos con elementos rodantes constituyen una buena alternativa debido a que pueden funcionar con lubricantes de menor viscosidad y más diluidos, en especial cuando se utilizan elementos rodantes de cerámica.

Otro problema de los rodamientos hidrodinámicos o hidrostáticos es que precisan de un caudal de aceite relativamente elevado (p. ej., 10 veces más que en los rodamientos), lo que implica que se necesitan bombas de aceite relativamente grandes y, por lo tanto, que consumen mucha energía. En maquinaria de importancia crítica, también es preciso monitorear el caudal de aceite con un gran instrumental, que hay que añadir a los costos del sistema.

Una consecuencia de la gran superficie y volumen de aceite que circula por los rodamientos hidrodinámicos es que generan unas pérdidas por fricción relativamente altas, y tienen que funcionar con holguras relativamente grandes, lo que produce un efecto negativo sobre la exactitud de la posición del eje y el impulsor. Esto, por ejemplo, es un aspecto particularmente importante cuando se usan rodamientos de empuje con segmentos basculantes en compresores (helicoidales), lo que ocasiona holguras finales de varios centenares de micras y, con ello, un elevado reflujo de gas (pérdidas por fugas). La figura 1 ilustra las “holguras de sellado” entre el impulsor de un compresor centrífugo o bomba. También puede verse que, cuanto más pequeña es la tolerancia de holgura, menor es la recirculación del fluido del proceso desde el lado de descarga al de entrada, lo que, a su vez, se traduce en menos pérdidas volumétricas. De igual modo, una gran exactitud en la colocación del eje es de máxima importancia cuando se usan sellos laberínticos o ciertos sellos rozantes en maquinaria rotativa.

Los rodamientos (de bolas y rodillos) soportan el eje rotativo mediante un contacto más directo, del tipo mecánico, donde solo una delgada película lubricante elastohidrodinámica (EHL; por lo general, de un espesor de 1 a 3 micras, pero menor en algunos casos) separa los elementos rodantes y los aros (caminos de rodadura), por lo que se necesita solo una cantidad de aceite muy pequeña para un buen rendimiento del rodamiento. Por ello, los rodamientos con elementos rodantes permiten una precisión muy elevada de la colocación del eje e impulsor. Las holguras del rotor axial y finales pueden seleccionarse muy por debajo de 50 micrómetros, que es una característica importante en muchas máquinas de fluidos, tal como se ha indicado anteriormente.

También suelen preferirse los rodamientos con elementos rodantes en casos de funcionamiento intermitente y en entornos fríos gracias a su baja fricción de arranque, en especial al usar rodamientos híbridos con elementos rodantes de cerámica. Sin embargo, lo que es más importante para la eficiencia energética es que la fricción de rodaje suele ser muy inferior en los rodamientos con elementos rodantes, al menos a media y baja velocidad. Para funcionar, según se afirma en J/E Bearing & Machine Ltd [1], toda la película de fluido en las rótulas hidrodinámicas exige hasta tres veces más energía, incluso si se excluyen las pérdidas en el arranque. La figura esquemática de abajo ilustra un resultado típico al comparar las pérdidas por fricción (potencia) en rodamientos lisos en comparación con rodamientos de bolas o rodillos.

En el lado ganador: rodamientos en turbocompresores y cigüeñales

Como saben muy bien los ingenieros y entusiastas de automóviles de altas prestaciones, los turbocompresores con rodamientos de bolas han dominado el panorama del deporte de motor desde que los primeros rodamientos de bolas sustituyeron a los rodamientos lisos en los turbocompresores usados en las competiciones de las 24 horas de Le Mans durante la década del noventa. Hubo dos razones principales para el cambio. Primero, los sistemas con rodamientos de bolas mostraron una menor fricción de rodaje. Y en segundo lugar, evitaban la necesidad de bombas de aceite de alta presión, que ocasionaban pérdidas de potencia en los sistemas de rodamientos lisos, donde debe bombearse una gran cantidad de aceite a través de delgados agujeros en los manguitos de los rodamientos lisos. Los diseños recientes usan unidades de cartucho con rodamientos de bolas de cerámica híbridos, que ahorran espacio, lo que lleva el rendimiento a niveles aún más altos.

Un análisis sistemático de las pérdidas por fricción en rodamientos de turbocompresores modernos muestra que, especialmente a velocidades medias, los rodamientos crean pérdidas por fricción mucho más bajas en los turbocompresores en comparación con las rótulas hidrodinámicas [2].

De manera similar, los sistemas de cigüeñal también pueden beneficiarse del uso de rodamientos en lugar de rodamientos hidrodinámicos. SKF y un importante cliente han realizado un extenso programa de ensayos en este tipo de aplicación. Otra bibliografía también ha demostrado claramente las ventajas de los rodamientos con elementos rodantes en cuanto a pérdidas de potencia por fricción (fig. 2). Hay que observar, no obstante, que el uso de rodamientos sigue teniendo limitaciones en los sistemas de cigüeñal de los automóviles en general, puesto que es mucho más fácil montar un rodamiento liso en un cigüeñal usando rodamientos lisos divididos, y también debido a la dificultad en mantener el aceite lo suficientemente limpio para los rodamientos.

Ahorros enormes en la producción de electricidad ecológica

Una central geotérmica de 250 MW recientemente construida en Asia utiliza la tecnología del ciclo Rankine orgánico (OCR) para producir energía eléctrica ecológica mediante calor geotérmico. Para el accionamiento de los generadores de electricidad, se usan casi 200 equipos denominados expansores de tornillo, que se basan en el mismo principio mecánico que los compresores de dos tornillos, pero funcionan en sentido inverso, para producir energía mediante la expansión del vapor, similarmente a una turbina de vapor. Un reto concreto era alcanzar los objetivos de eficiencia establecidos por el propietario de la central. Los primeros ensayos mostraron que no podían alcanzarse usando rodamientos hidrodinámicos. Hay que observar que, en cada expansor de gran tamaño, se usan cinco o seis rodamientos hidrodinámicos.

Por este motivo, los ingenieros de SKF prestaron apoyo en el rediseño del expansor para usar rodamientos con elementos rodantes. Además de una menor fricción de rodaje, las ajustadas tolerancias de los rodamientos permitieron que la maquinaria de tornillo pudiera funcionar con holguras finales muy ajustadas entre los ejes y soportes, lo que incrementó aún más la eficiencia. Los cálculos y ensayos mostraron que las consiguientes pérdidas de energía podían reducirse considerablemente, en general de 30 kW a 12 kW, lo que significa que un solo expansor puede producir 18 kW más de electricidad cuando se usa un sistema de rodamientos.

Ahorrar 18 kW de pérdidas de potencia puede significar un aumento de más de 100 000 kWh en la producción de energía eléctrica, por equipo y año. Multiplicado por el gran número de expansores de tornillo usados en la planta, esto se traduce en unos beneficios anuales de más de un millón de dólares.

Enfriadores industriales y bombas de calor

En general, los grandes enfriadores comerciales o industriales o las bombas de calor están acopladas a compresores centrífugos o alternativos, que comprimen un gas refrigerante para permitir la transferencia de calor de una fuente de temperatura más baja a un recipiente de temperatura más elevada. Tradicionalmente, muchos compresores de refrigeración son o siguen siendo de diseño accionado por engranajes, con rodamientos hidrodinámicos lubricados por una mezcla de aceite y refrigerante.

Frecuentemente no se obtiene el efecto deseado con la introducción de nuevos refrigerantes ecológicos (p. ej., hidrofluoroolefinas [HFO] con un bajo potencial de calentamiento global y de agotamiento de la capa de ozono) y los niveles de temperatura mucho más altos necesarios en las bombas de calor o enfriadores de los centros de datos: el ritmo de dilución del aceite por los refrigerantes aumenta, a veces a rangos de dilución del 50 % o más. En ciertos casos, la viscosidad del aceite se convierte en demasiado baja para los rodamientos hidrodinámicos, y las disposiciones de rodamientos de los compresores tienen que cambiarse por rodamientos, lo que también supone una ventaja adicional de menos pérdidas por fricción y mayor exactitud en la colocación del impulsor.

En la figura 3, se han agrupado datos de pérdidas por fricción de ensayos y de experiencia práctica de un enfriador centrífugo típico de tamaño medio (~300 kW) recopilados por expertos en aplicaciones y clientes importantes. En esta comparación, se consideraron los siguientes tipos de pérdidas: fricción de los rodamientos, pérdidas volumétricas por holgura de sellado, pérdidas de válvula de retención y transferencia de calor debidas a contaminación en los intercambiadores de calor a causa de la mezcla del aceite con el gas refrigerante.

Los datos muestran que los rodamientos crean menores pérdidas por fricción y también conducen a menos pérdidas volumétricas por holgura de sellado gracias a su mayor precisión de rodaje. Un efecto positivo en la eficiencia también se atribuye al hecho de que, para la lubricación, los rodamientos con elementos rodantes necesitan mucho menos aceite (generalmente, menos del 10 %) que los rodamientos hidrodinámicos, y menos aceite se mezcla con el refrigerante, lo que genera menos contaminación del aceite en los intercambiadores de calor. Por lo tanto, pueden conseguirse mejoras del 3 al 4 % en la eficiencia de los enfriadores usando rodamientos con elementos rodantes lubricados con aceite en lugar de rodamientos hidrodinámicos. Otro importante paso para mejorar la eficiencia puede conseguirse diseñando enfriadores exentos de aceite, basados en rodamientos magnéticos de SKF, o la solución de rodamientos de Lubricación por refrigerante puro (PRL) de SKF, tal como se describe en el folleto Evolving Chiller Performance de SKF y en el artículo de la revista Evolution.

Un sencillo cálculo demuestra lo que significa un ahorro de un 3 a un 4 % de energía en cuanto a ahorros en costos operativos. Supongamos que un enfriador de tamaño medio funciona 5000 horas al año con un costo medio de potencia motriz y electricidad de 0,25 euro por kWh. Los ahorros en el costo de electricidad durante un período de 20 años serían del orden de 150 000 a 200 000 euros, con unos ahorros potenciales adicionales de 50 000 a 100 000 euros al cambiar a diseños de enfriador exentos de aceite.

Compresores de tornillo grandes para amoníaco

Recientemente, SKF ha estado fuertemente implicado en el diseño de una nueva generación de compresores de tornillo grandes para amoníaco y aplicaciones de refrigeración. El cliente, una empresa líder del sector, usaba generalmente rodamientos lisos hidrodinámicos con holguras relativamente grandes para soportar las cargas radiales, y rodamientos de bolas de contacto angular para las cargas de empuje. Normalmente se ensayan rodamientos de rodillos cilíndricos con tolerancias de holgura radial ajustadas como alternativa a los rodamientos hidrodinámicos. Esto mejora la eficiencia volumétrica del compresor y también puede reducirse el consumo de aceite del sistema.

En grandes compresores de gas de alta velocidad integralmente accionados por engranajes, como los que se usan para capturar el CO₂, el diseño estándar se basa en rodamientos hidrodinámicos, tanto para los engranajes como para los ejes del impulsor (ver ejemplo en la fig. 4). En estos compresores, los ahorros de energía potenciales al cambiar a rodamientos son enormes, debido a los muchos rodamientos que se usan en una sola máquina. Los retos al usar rodamientos son las altas velocidades y la confiabilidad a largo plazo. Los expertos en ingeniería de SKF pueden ofrecer asesoramiento analizando la factibilidad de los rodamientos o incluso los rodamientos magnéticos en esas condiciones exigentes. Para una estimación más realista de la vida útil de los rodamientos de cerámica híbridos, recientemente SKF ha introducido un Modelo generalizado de cálculo de vida útil de rodamientos (GBLM) [4] completamente nuevo.

Referencias

[1] J/E Bearing & Machine Ltd., “Plain or Rolling Bearings – Which is Best?”

[2] Vanhaelst R, Kheir A, Czajka J, “A Systematic Analysis of the Friction Losses on Bearings of Modern Turbocharger”, Combustion Engines 1/2016 (164), páginas 22 a 31.

[3] Morales G E, Hauleitner R, Wallin H H, “Tecnología de relubricación por refrigerante puro en compresores centrífugos sin aceite”, Evolution, 2 de marzo de 2017.

[4] “SKF GBLM – A New Rating Life Model Applied to Hybrid Bearings”, Evolution, 4 de febrero de 2021.

Read the full report here: Progress and challenges in rolling bearing technology for compressors in industrial heat pumps (English)