Cuscinetti ibridi nei compressori senza olio per condizionatori e refrigeratori

In futuro, i compressori usati nei condizionatori e nei sistemi di refrigerazione potranno essere progettati per evitare l’impiego di olio per la lubrificazione: l’uso di cuscinetti ibridi, infatti, permette l’impiego dello stesso refrigerante come lubrificante.Nella fabbricazione dei cuscinetti ibridi si cerca di realizzare tecniche poco costose per ottenere corpi volventi di ceramica che siano di alta qualità. Grazie ai progressi tecnologici, nel corso degli ultimi dieci anni il costo delle sfere di ceramica è diminuito di molto e prossimamente lo stesso si potrà dire per i rulli. Per questi tipi di cuscinetti si sta ora aprendo la possibilità di essere lubrificati con il solo refrigerante. Nella loro progettazione occorre considerare elementi importanti quali le caratteristiche superficiali e la curvatura delle piste, la qualità dei corpi volventi e la conformazione della gabbia.

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In futuro, i compressori usati nei condizionatori e nei sistemi di refrigerazione potranno essere progettati per evitare l’impiego di olio per la lubrificazione: l’uso di cuscinetti ibridi, infatti, permette l’impiego dello stesso refrigerante come lubrificante.Nella fabbricazione dei cuscinetti ibridi si cerca di realizzare tecniche poco costose per ottenere corpi volventi di ceramica che siano di alta qualità. Grazie ai progressi tecnologici, nel corso degli ultimi dieci anni il costo delle sfere di ceramica è diminuito di molto e prossimamente lo stesso si potrà dire per i rulli. Per questi tipi di cuscinetti si sta ora aprendo la possibilità di essere lubrificati con il solo refrigerante. Nella loro progettazione occorre considerare elementi importanti quali le caratteristiche superficiali e la curvatura delle piste, la qualità dei corpi volventi e la conformazione della gabbia.

   Nei primi anni ’90 I ricercatori dell’SKF Engineering and Research Centre hanno studiato il problema della diluizione degli oli lubrificanti da parte dei refrigeranti nei tradizionali cuscinetti interamente di acciaio. Nei compressori attuali la diluizione è difficile da eliminare e influisce sulle prestazioni dei cuscinetti. A livelli di diluizione del 20 % – 30 % i tradizionali cuscinetti interamente di acciaio cominciano a mostrare segni di lubrificazione inadeguata e questo fatto ha portato a ricercare tipi alternativi. Studiando i cuscinetti ibridi si è potuto osservare come non esista praticamente un limite alla percentuale di diluizione: nel 1996, furono fatti funzionare cuscinetti ibridi con il solo refrigerante, trovandoli come nuovi al termine delle prove.
   Tale risultato ha quindi aperto una nuova possibilità di lubrificazione per tale tipo di cuscinetti.

   In studi recenti si è scoperto che anche i refrigeranti sono in grado di formare una pellicola lubrificante elastoidrodinamica, in quanto, come gli oli, aumentano la propria viscosità in presenza delle altissime pressioni esistenti nei contatti fra i corpi volventi e le piste dei cuscinetti. L’incremento non è così consistente come negli oli, ma è sufficiente per generare una sottilissima pellicola lubrificante. Nei tradizionali cuscinetti interamente di acciaio tale pellicola non sarebbe adeguata, mentre lo è nei cuscinetti ibridi, grazie alle caratteristiche di questi ultimi e in particolare alla combinazione dell’acciaio con la ceramica.

Applicazioni promettenti

Un’applicazione dei compressori lubrificati con refrigerante sono i cosiddetti «chiller», apparecchi che producono acqua fredda per i grossi condizionatori d’aria e per i processi industriali e che usano il refrigerante per il raffreddamento dell’acqua.

   I chiller di capacità superiore alle 500 tonnellate sono normalmente dotati di compressori centrifughi., dotati di una o più giranti, la cui velocità di rotazione è determinata dalla loro velocità periferica richiesta. I grossi alberi porta giranti a comando diretto ruotano a 3.000 o a 3.600 giri/min, mentre quelli ad alta velocità comandati da ingranaggi superano i 10.000 giri/min. I cuscinetti presentano a volte problemi di lubrificazione.

   I compressori tradizionali prevedono sistemi per separare l’olio che si è mescolato con il refrigerante per poter fare in modo che riesca a lubrificare i cuscinetti. Dato che i refrigeranti sono degli ottimi solventi, è difficile evitare la diluizione dell’olio.

I compressori per i chiller
  
Nei chiller si usano tre tipi di compressori – i compressori «scroll» per i piccoli dispositivi, i compressori a vite per quelli medi e i tipi centrifughi per quelli grandi. I compressori centrifughi sono ad azionamento diretto o a ingranaggi. Nel primo caso il rotore del motore è montato sullo stesso albero della girante, mentre nel secondo l’albero viene azionato da un moltiplicatore.

   Nei compressori a vite, l’olio non viene usato solo per lubrificare i cuscinetti, ma viene anche iniettato nella cavità di compressione per raffreddare il gas refrigerante e sigillare i passaggi fra la vite e il corpo del compressore. L’olio così iniettato si trova ad essere diluito dal refrigerante. Anche con l’impiego di un separatore d’olio, il refrigerante non può essere completamente rimosso prima che l’olio stesso raggiunga i cuscinetti.

   Se si intende impiegare i cuscinetti ibridi lubrificati a refrigerante nei compressori a vite, l’iniezione d’olio nella cavità di compressione può essere sostituita da un’iniezione di liquido refrigerante oppure si può progettare il compressore per un funzionamento ad alta velocità, in modo da rendere minimi i trafilamenti interni.

Niente olio

Nei compressori centrifughi, non c’è iniezione d’olio in una cavità di compressione. L’olio si usa solo per la lubrificazione dei cuscinetti, anche se nei tipi a ingranaggi serve anche a lubrificare questi ultimi. Nei compressori centrifughi, l’azionamento diretto appare essere il più idoneo per la lubrificazione con refrigerante, dato che non c’è necessità di lubrificare gli ingranaggi.

   La possibilità di eliminare la necessità di lubrificare a olio semplifica il progetto e offre vantaggi in termini di costo. Vantaggi dovuti proprio all’assenza della lubrificazione a olio sono: l’eliminazione di molti casi di danneggiamento dei chiller, la riduzione del numero dei componenti e dei problemi connessi con il fatto che l’olio e il refrigerante si mescolano, oltre a un funzionamento potenzialmente più efficiente.

   La contaminazione del refrigerante da parte dell’olio influisce anche sul trasferimento del calore che avviene negli scambiatori utilizzati nei chiller, la cui funzionalità tende a ridursi appunto per la presenza di olio. Un compressore senza olio renderebbe quindi più efficiente il chiller oppure, a parità di rendimento, si potrebbe consentire di impiegare uno scambiatore più piccolo.

   C’è anche un vantaggio a non usare l’olio, dato che questo può andare disperso nelle riparazioni dei chiller e in un modo o nell’altro contaminare l’ambiente.

Corpi volventi di ceramica

I cuscinetti ibridi impiegano corpi volventi di nitruro di silicio, ottenuti partendo da uno sbozzato di polvere di nitruro che viene sottoposto ad altissima pressione e poi portato ad alta temperatura in forno per essere trasformato con un processo di sinterizzazione in un corpo di materiale omogeneo. Lo sbozzato viene poi rettificato per dargli la forma di una sfera o di un rullo molto precisi. Porosità o inclusioni non sono ammesse. Data l’elevata durezza dello sbozzato, la rettifica va eseguita con diamanti industriali e può richiedere molte centinaia di ore. Per l’impiego con i cuscinetti ibridi lubrificati con refrigerante non sono ammessi difetti di rettifica o rigature.

   Rispetto a uno di acciaio di pari dimensioni, un corpo volvente di ceramica è del 60% meno denso e ha un modulo di elasticità del 50% superiore. La dilatazione di un corpo di ceramica è solo il 30% di quella di un corpo di acciaio e il coefficiente d’attrito è circa il 20% di quello dei corpi di acciaio.

   La bassa densità dei corpi volventi di ceramica riduce le forze centrifughe che agiscono su di essi quando il cuscinetto ruota. Ne conseguono carichi minori sul cuscinetto stesso e una migliore distribuzione interna dei carichi. Grazie all’elevato modulo di elasticità, l’attrito si riduce e la rigidezza del cuscinetto aumenta. Basso attrito e grande rigidezza permettono maggiori velocità di funzionamento. L’associazione di corpi volventi di ceramica e di anelli di acciaio temprato previene le grippature e l’usura di tipo adesivo.

Area di contatto minore

Avere un grande modulo di elasticità significa anche avere una minore superficie di contatto tra i corpi volventi e la pista, dato che il materiale di ceramica si deforma di meno sotto carico. Per trovare un equilibrio ottimale fra le sollecitazioni di contatto e l’attrito del cuscinetto occorre quindi prevedere piste con curvature speciali.

   Uno dei compiti più ardui nella progettazione di un compressore è quello di fare in modo che il fluido del compressore che agisce da lubrificante sia sufficiente per la lubrificazione in tutte le condizioni di lavoro. I cuscinetti idrodinamici non sarebbero in grado di funzionare nei brevi momenti in cui ci sia un’interruzione dell’afflusso di lubrificante oppure negli avviamenti.
   L’Engineering and Research Centre ha dimostrato che, impiegando cuscinetti ibridi lubrificati con il refrigerante, si forma una sottile pellicola elastoidrodinamica tra il corpo volvente e la pista. Anche se il corpo non toccasse per un momento la pista, il fatto che i due elementi siano di materiali diversi riduce la possibilità di grippature, come succederebbe in un cuscinetto interamente di acciaio.

   E’ importante far arrivare al cuscinetto il refrigerante allo stato completamente liquido, al fine di assicurare la corretta formazione della pellicola ed evitare situazioni in cui parte di esso passi allo stato gassoso, rendendo la lubrificazione precaria. Per garantire una lubrificazione e un raffreddamento appropriati bisogna dosare opportunamente il flusso di refrigerante.

   In prospettiva i compressori per i chiller con cuscinetti ibridi offrono vantaggi in termini di prestazioni, rendimento, costi e ambiente. Per tali applicazioni i cuscinetti ibridi devono essere progettati con una giusta combinazione di materiali, qualità, geometria interna e caratteristiche superficiali delle piste.

   L’idea di un funzionamento senza olio può anche essere sfruttata in altre applicazioni, ad esempio nei cuscinetti delle pompe lubrificate con lo stesso prodotto da pompare. Nelle raffinerie, l’impiego di cuscinetti lubrificati con i prodotti in lavorazione offre la possibilità di semplificare il disegno delle pompe e di migliorarne l’affidabilità e la sicurezza.

Hans H. Wallin,
  
Compressor, Technology Business Manager,
  
SKF USA, Kulpsville, PA, USA
  
e Guillermo Morales Espejel,
  
Project leader, Tribology, SKF Engineering and
  
Research Centre B.V. (ERC), Nieuwegein, Olanda