L’efficienza energetica e delle risorse, in particolare nella produzione industriale e nella fornitura di energia, è una questione prioritaria nell’agenda mondiale come mai era avvenuto in precedenza. Nonostante i progressi tecnologici, nel mondo lo spreco di energia è ancora considerevole a causa dell’attrito meccanico e delle perdite fluidodinamiche nei macchinari rotanti, tra cui compressori, turbine, soffianti e pompe. In questo articolo si forniranno motivazioni ed esempi concreti di applicazioni in cui la sostituzione dei cuscinetti idrodinamici a film di lubrificante con i moderni cuscinetti volventi consentirebbe di ottenere notevoli risparmi in termini di energia e costi.

Per le apparecchiature industriali come pompe, compressori e soffianti sono abbastanza comuni tempi di funzionamento annuali compresi tra le 4.000 e le 8.000 ore, il che implica che l’energia elettrica necessaria per l’azionamento di queste macchine è senz’altro la principale responsabile dei costi di gestione dei cicli produttivi e delle emissioni. In molti casi l’efficienza energetica si migliora attraverso l’impiego di azionamenti diretti a velocità variabile (VSD) e la scelta e l’attenta progettazione della girante, dei cuscinetti e del sistema di tenuta.

Per migliaia di anni l’uomo ha utilizzato corpi volventi (barre, rulli, sfere) per ridurre l’attrito e la perdita di calore nei macchinari di trasporto e di movimentazione e per garantire un posizionamento preciso e affidabile degli alberi rotanti. Per questo motivo talvolta i cuscinetti volventi sono chiamati anche cuscinetti “antiattrito” o di precisione. Tuttavia, per diversi motivi tecnici e storici, nel mondo si utilizzano ancora molti “cuscinetti a strisciamento”, denominati in genere cuscinetti piani, di strisciamento, portanti, a film di lubrificante o a pattini oscillanti, oppure in modo più specifico cuscinetti idrodinamici o idrostatici.

In passato la qualità dei materiali inferiore e le capacità di progettazione e produzione limitate, nonché le norme specifiche di settore come quelle dell’American Petroleum Institute (API) per l’industria petrolchimica, hanno dissuaso i costruttori di macchine dall’impiegare in modo più diffuso i cuscinetti volventi in alcuni settori, come quello dei compressori e delle pompe di grandi dimensioni e/o a velocità elevata. Tuttavia, i moderni cuscinetti volventi e i metodi di lubrificazione consentirebbero di sostituire molti sistemi di cuscinetti a strisciamento ancora esistenti, con un potenziale risparmio di enormi quantità di energia di azionamento e di costi per struttura, lubrificazione e manutenzione.

Cuscinetti volventi e idrodinamici

I cuscinetti idrodinamici utilizzano film di lubrificante (olio) per separare la superficie di acciaio dell’albero rotante dal supporto fisso, utilizzando i ben noti principi della lubrificazione idrodinamica. I cuscinetti idrodinamici con lubrificazione adeguata non mostrano quasi alcuna fatica né usura meccanica e garantiscono un maggiore smorzamento rispetto ai cuscinetti a sfere o a rulli. Il film di lubrificante è relativamente spesso, pertanto contaminanti e altre particelle hanno un impatto meno significativo sulle prestazioni, perché le particelle dure sono in parte incorporate nei materiali più morbidi delle bussole o delle bronzine e quindi non possono danneggiare le superfici di appoggio.

Tuttavia, i cuscinetti idrodinamici hanno giochi piuttosto ampi e risentono dell’usura e dello sfregamento in caso di operazioni di avvio e arresto frequenti o a velocità molto basse, come può accadere nelle applicazioni con azionamenti VFS. Se la viscosità dell’olio lubrificante è bassa o il fluido di processo diluisce notevolmente l’olio, la formazione del film di lubrificante potrebbe non essere più sufficiente per garantire prestazioni ottimali dei cuscinetti idrodinamici, in particolare nel caso di cuscinetti assiali a pattini oscillanti. A tale proposito, i cuscinetti volventi sono una buona alternativa, in quanto possono operare con lubrificanti a viscosità e diluizione inferiori, soprattutto quando si utilizzano corpi volventi in ceramica.

Un altro svantaggio dei cuscinetti idrodinamici o idrostatici è che richiedono portate di olio relativamente elevate (almeno 10 volte superiori a quelle dei cuscinetti volventi), il che implica che occorrono pompe dell’olio di dimensioni relativamente grandi e quindi dispendiose dal punto di vista energetico. Inoltre nei macchinari critici il flusso dell’olio deve essere monitorato utilizzando moltissimi strumenti, che comportano

Un effetto correlato all’ampia superficie e agli elevati volumi di olio che scorrono nei cuscinetti idrodinamici è che si generano perdite per attrito relativamente consistenti e occorrono giochi piuttosto ampi; questo si ripercuote negativamente sulla precisione di posizionamento dell’albero e della girante. Il problema è di particolare rilievo, ad esempio, quando si utilizzano cuscinetti assiali a pattini oscillanti nei compressori (a vite), perché si determinano giochi tra le estremità di diverse centinaia di micron e quindi un elevato riflusso di gas (perdite). La figura 1 mostra i “giochi delle tenute” nella girante di un compressore centrifugo o di una pompa. Inoltre, più è basso il valore della tolleranza del gioco, minore è il ricircolo del fluido di processo dal lato di mandata a quello di aspirazione, cosa che a sua volta si traduce in perdite volumetriche ridotte. Allo stesso modo un’elevata precisione di posizionamento dell’albero è di fondamentale importanza quando si utilizzano tenute striscianti o a labirinto in macchinari rotanti.

I cuscinetti volventi (a sfere e a rulli) sostengono l’albero rotante con un tipo di contatto meccanico più diretto, in cui solo un sottile film di lubrificazione elastoidrodinamica (in genere di spessore compreso tra 1 e 3 micron, ma in alcuni casi inferiore) separa i contatti tra i corpi volventi e gli anelli del cuscinetto (piste) e occorrono quantità decisamente ridotte di olio per ottenere prestazioni ottimali. Pertanto, i cuscinetti volventi consentono una precisione di posizionamento dell’albero e della girante molto elevata. I giochi assiali tra le estremità del rotore possono essere impostati ben al di sotto di 50 micrometri, una caratteristica importante per molte macchine fluidodinamiche, come indicato in precedenza.

I cuscinetti volventi sono spesso la scelta ottimale in caso di funzionamento intermittente e per gli ambienti freddi, perché hanno un basso attrito all’avvio, in particolare quando si utilizzano cuscinetti ibridi con corpi volventi in ceramica. Ciò che però è più importante in termini di efficienza energetica è che l’attrito di rotazione solitamente è di gran lunga inferiore nei cuscinetti volventi, almeno alle basse e medie velocità. Secondo una dichiarazione di J/E Bearing & Machine Ltd. [1] il film completo di lubrificante nei cuscinetti radenti idrodinamici richiede una quantità di energia fino a tre volte superiore per operare, anche se si escludono le perdite all’avvio. Il grafico nella figura sottostante illustra un risultato tipico quando si confrontano le perdite (di potenza) per attrito nei cuscinetti portanti rispetto ai cuscinetti a sfere o a rulli.

Sulla strada giusta: i cuscinetti volventi nei turbocompressori e negli alberi a gomito

Come ben sanno gli ingegneri e gli appassionati di vetture ad alte prestazioni, i turbocompressori con cuscinetti a sfere hanno dominato la scena degli sport motoristici da quando i primi cuscinetti a sfere hanno sostituito dei cuscinetti piani nella 24 Ore di LeMans negli anni ‘90. I motivi sono stati principalmente due. In primo luogo i sistemi con cuscinetti a sfere avevano un attrito di rotazione inferiore. In secondo luogo non era più necessario utilizzare pompe dell’olio ad alta pressione necessarie per i cuscinetti a strisciamento, per i quali occorre pompare grandi quantità di olio attraverso i piccoli fori delle bussole dissipando molta potenza. Nei progetti più recenti si utilizzano unità a cartuccia di dimensioni decisamente ridotte con cuscinetti a sfere ibridi in ceramica, aumentando ulteriormente le prestazioni.

Un’analisi sistematica delle perdite per attrito nei cuscinetti dei moderni turbocompressori mostra che, soprattutto a velocità medio-basse, i cuscinetti volventi generano perdite per attrito decisamente inferiori rispetto ai cuscinetti radenti idrodinamici [2].

In modo analogo anche i sistemi di alberi a gomito possono trarre vantaggio dall’utilizzo di cuscinetti volventi anziché idrodinamici. SKF e un importante cliente hanno eseguito un ampio programma di prove in questo ambito di applicazione. Anche altre fonti di letteratura hanno dimostrato chiaramente i vantaggi dei cuscinetti volventi in termini di perdita di potenza per attrito (fig. 2). Occorre notare, tuttavia, che l’impiego dei cuscinetti volventi è ancora limitato per i sistemi di alberi a gomito nelle vetture standard, perché è molto più facile montare un cuscinetto piano su un albero a gomito utilizzando boccole in due metà, anche a causa della difficoltà di mantenere l’olio sufficientemente pulito nei cuscinetti volventi.

Enorme risparmio nella produzione di energia elettrica pulita

Una centrale geotermica da 250 MW costruita di recente in Asia sfrutta la tecnologia dei cicli Rankine a fluido organico per produrre energia elettrica pulita dal calore geotermico. Si utilizzano quasi 200 espansori a vite per azionare i generatori di energia elettrica. Gli espansori a vite si basano sullo stesso principio meccanico dei compressori a doppia vite, ma operano in direzione opposta per produrre energia dal vapore in espansione, in modo analogo a una turbina a vapore. La sfida tecnica più complessa era raggiungere gli obiettivi di efficienza stabiliti dal proprietario dell’impianto. Le prime prove hanno dimostrato che non è possibile ottenere questo risultato utilizzando cuscinetti idrodinamici. Si noti che in ciascuno degli espansori a vite di grandi dimensioni si utilizzano cinque o sei cuscinetti idrodinamici.

Per questo motivo gli ingegneri di SKF hanno contribuito alla riprogettazione dell’espansore con l’impiego di cuscinetti volventi. Oltre a ridurre l’attrito di rotazione, le tolleranze ristrette dei cuscinetti volventi consentono alle macchine a vite di funzionare con giochi minimi tra gli alberi a vite e il supporto, aumentando ulteriormente l’efficienza. I calcoli e le prove hanno dimostrato che le relative perdite di energia si potrebbero ridurre in modo sostanziale, in genere da 30 kW a 12 kW, il che significa che un singolo espansore può produrre 18 kW in più di energia elettrica quando si utilizza un sistema di cuscinetti volventi.

Risparmiare 18 kW di perdite di potenza può significare oltre 100.000 kWh di energia elettrica aggiuntiva, per macchina e all’anno. Moltiplicato per il numero elevato di espansori a vite utilizzati in un impianto, questo si traduce in oltre un milione di dollari di profitto aggiuntivo all’anno.

Refrigeratori e pompe di calore industriali

I refrigeratori o le pompe di calore commerciali o industriali di grandi dimensioni in genere utilizzano compressori centrifughi o a moto alternativo, che comprimono un gas refrigerante per consentire il trasferimento di calore da una fonte a temperatura più bassa a un serbatoio a temperatura più elevata. Tradizionalmente, molti compressori per refrigeranti erano e sono tuttora ad azionamento a ingranaggi, spesso con cuscinetti idrodinamici lubrificati con una miscela di olio e refrigerante.

L’introduzione di nuovi refrigeranti ecologici (ad esempio refrigeranti pesanti a base di idrofluoroolefine (HFO) a basso potenziale di riscaldamento globale e riduzione dell’ozono) e i livelli di temperatura molto più elevati necessari nelle pompe di calore o nei refrigeratori dei centri dati hanno spesso un effetto indesiderato: il tasso di diluizione dell’olio da parte dei refrigeranti aumenta, a volte fino a rapporti di diluizione del 50% o superiore. In alcuni casi la viscosità dell’olio diventa troppo bassa per i cuscinetti idrodinamici e nei compressori occorre sostituirli con cuscinetti volventi, che hanno l’ulteriore vantaggio di consentire perdite di attrito inferiori e una migliore precisione di posizionamento della girante.

In collaborazione con alcuni esperti delle applicazioni e clienti importanti i dati relativi alle perdite per attrito sono stati ricavati da prove ed esperimenti sul campo e consolidati per un tipico refrigeratore centrifugo di medie dimensioni (~300 kW) (figura 3). In questo confronto sono stati considerati i seguenti tipi di perdite: attrito dei cuscinetti, perdite volumetriche del gioco delle tenute, perdite delle valvole di non ritorno e perdite di trasferimento di calore dovute alla contaminazione degli scambiatori di calore da parte dell’olio che si mescola al gas refrigerante.

I dati dimostrano che i cuscinetti volventi generano perdite per attrito dei cuscinetti inferiori e comportano minori perdite volumetriche delle tenute, grazie a una migliore precisione di rotazione. Un effetto positivo sull’efficienza si può ricondurre anche al fatto che i cuscinetti volventi richiedono una quantità di olio decisamente inferiore (in genere meno del 10%) per la lubrificazione rispetto ai cuscinetti idrodinamici; quindi una minore quantità di olio si mescola al refrigerante, determinando una contaminazione dell’olio trascurabile negli scambiatori di calore. Pertanto, l’utilizzo dei cuscinetti volventi lubrificati a olio invece dei cuscinetti piani o idrodinamici consente di ottenere miglioramenti dell’efficienza dei refrigeratori del 3-4%. Un’altra misura significativa per migliorare l’efficienza è la progettazione di refrigeratori oil-free, basati su cuscinetti magnetici SKF o su soluzioni con cuscinetti SKF con tecnologia PRL, come scritto nella brochure di SKF Evolving Chiller Performance [Evoluzione delle prestazioni dei refrigeratori] e in questo articolo di Evolution.

Con un semplice calcolo si può dimostrare cosa significhi una riduzione del consumo energetico del 3-4% in termini di risparmio sui costi operativi. Supponiamo che un refrigeratore di medie dimensioni sia in funzione per 5.000 ore all’anno con una potenza media di 200 kW e un costo dell’energia elettrica di 0,25 euro per kWh. Il risparmio sui costi dell’energia elettrica in un periodo di 20 anni sarebbe dell’ordine di 150.000-200.000 euro, con la possibilità di risparmiare altri 50.000-100.000 euro passando a modelli di refrigeratori oil-free.

Compressore a vite di grandi dimensioni per ammoniaca

Di recente SKF è stata particolarmente coinvolta nella progettazione di una nuova generazione di compressori a vite di grandi dimensioni per il settore della refrigerazione. Il cliente, leader in questo settore, in genere utilizzava cuscinetti portanti idrodinamici con un gioco relativamente ampio per gestire i carichi radiali e cuscinetti obliqui a sfere per i carichi assiali. Attualmente come alternativa ai cuscinetti idrodinamici si utilizzano i cuscinetti a rulli cilindrici con tolleranze di gioco radiali ridotte. In questo modo si migliora l’efficienza volumetrica del compressore e si può ridurre il consumo di olio del sistema di compressione.

Nei compressori a gas ad alta velocità a ingranaggi integrati e di grandi dimensioni, come quelli utilizzati per la cattura della CO₂, l’esecuzione standard dei cuscinetti si basa su cuscinetti idrodinamici, sia per gli ingranaggi sia per gli alberi delle giranti (si veda l’esempio in figura 4). Il potenziale di risparmio energetico ottenuto sostituendo i cuscinetti idrodinamici con quelli volventi in un compressore di questo tipo è notevole, a causa dei numerosi cuscinetti utilizzati in una singola macchina. Le sfide legate all’utilizzo dei cuscinetti volventi sono le velocità elevate e l’affidabilità a lungo termine. Gli ingegneri di SKF possono offrire il loro supporto valutando la fattibilità dei cuscinetti volventi o dei cuscinetti magnetici per queste condizioni gravose. Per una stima più realistica della durata dei cuscinetti volventi ibridi in ceramica, SKF ha recentemente introdotto un modello generalizzato di durata dei cuscinetti (Generalized Bearing Life Model, GBLM) completamente rinnovato [4].

[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), pages 22–31.

[3] Morales G E, Hauleitner R, Wallin H H, “Pure Refrigerant Lubrication Technology in Oil-Free Centrifugal Compressors”, Evolution 2 March 2017.

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

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