Aceites para compresores (II

por ING . Erne to Sanguinetti Re u go

Análisis sobre los diferentes tipos de lubricantes existentes para compresores, tanto en refrigeración como aire acondicionado.

En la primera parte de este artículo se describieron los diferentes tipos de lubricantes existentes, también se destacaron los inicios de la lubricación, los lubricantes modernos y el concepto de biotecnología como solución de futuro. Ahora se profundizará en las funciones del aceite lubricante y sus propiedades.

4. Funciones del aceite lubricante Principalmente sirve para lubricar el espacio entre dos superficies sólidas que están en movimiento (una en relación de la otra) y reducir así la fricción entre ellas evitando

su desgaste. Se logra colocando una película de aceite lubricante entre las superficies en movimiento para evitar el contacto de sólido con sólido, disminuyendo la fricción entre las dos superficies que rozan. Aun cuando las superficies en rozamiento pueden parecer a simple vista lisas y suaves, si se realiza un examen minucioso con un microscopio veremos que hay grandes asperezas como montículos y valles. Se debe agregar el lubricante suficiente para que forme una capa que pueda cubrir esas asperezas, de tal modo que ambas superficies en movimiento se desplacen flotando en el lubricante.

La función secundaria pero complementaria, es que dependiendo del diseño del compresor, también ayuda a disipar el calor, así como sellar las válvulas, cilindros-anillos, cilindros-rotores en todos los tipos de compresores que tienen diferentes métodos de compresión.

Veamos gráficamente la lubricación entre dos superficies que pueden ser el eje de un compresor y la chumacera o cojinete o bocina o buje que le sirve de guía/soporte/apoyo:

Gráfico 1.

- Posición A: Las dos superficies metálicas están en contacto pero sin movimiento. El eje rodante en reposo sobre el cojinete. La fuerza normal FN del eje es igual a la fuerza de reacción FR del cojinete.

- Posición B: Cuando el eje con su carga empieza a girar en el sentido horario, existe un rozamiento mecánico y el eje tiende a rodar hacia arriba. - Posición C: Como el aceite se adhiere a las dos superficies, la rotación arrastra al aceite entre ellas haciendo que el eje y el cojinete se separen. El eje al rotar actúa como bomba de aceite causando una alta presión en el área que soporta la carga, creando una película de aceite que ocasiona la separación completa entre el eje y el cojinete, haciendo que el eje flote en el aceite. Esa alta presión mueve al eje hacia la izquierda tomando una posición excéntrica.

La velocidad del aceite que se adhiere al eje rodante es igual a la velocidad periférica del eje y la velocidad del aceite en la superficie del cojinete es cero. Esa diferencia de velocidades crea la “fuerza de la viscosidad”, y por ello cuanto mayor sea la velocidad de rotación, mayor es la cantidad de aceite que penetra en la sección convergente y mayor será el espesor de la película de aceite (es la acción de bombeo del eje rotatorio).

Una vez que se obtiene una película de lubricación, la fuerza de la fricción entre las dos superficies es la fuerza necesaria para mantener la lubricación, a ella la denominan “fuerza para cortar el lubricante” o “esfuerzo cortante” y es independiente de la naturaleza de las dos superficies sólidas.

5. Ley de Newton de la viscosidad Esta ley, además de mostrar el comportamiento de un fluido, sirve también para definir las unidades en las que se puede expresar la viscosidad.

Cuando a un fluido se le aplica una fuerza o un esfuerzo cortante, el fluido presenta una resistencia al movimiento, conforme continúa dicho esfuerzo, el fluido tiende a deformarse. Posteriormente fluye y su velocidad aumenta conforme aumenta el esfuerzo.

La resistencia al movimiento relativo entre las capas adyacentes en el fluido es una de sus propiedades: la viscosidad.

Las capas del fluido próximas a una placa sólida fija tienen velocidades más lentas que las alejadas debido a los procesos disipativos que se generan. Parte de la energía cinética que poseen las capas se transforma en calor. Vamos a representar el comportamiento de un fluido, sea líquido o gas, que se encuentra contenido entre dos grandes láminas planas y paralelas, de área A, y que están separadas entre sí por una distancia pequeña “y”. Supongamos que inicialmente el sistema se encuentra en reposo, t= 0, pero luego la lámina superior se pone en movimiento en dirección del eje X, con una velocidad constante v.

relación entre la viscosidad absoluta (μ) y la densidad (ρ). Se calcula mediante la relación: φ= μ /ρ.

Las unidades de viscosidad cinemática son: m 2 /seg (Sist. Internacional) y también cm 2 /seg = stoke = st (Sist. Cegesimal). En éste último sistema se emplea bastante el centistoke o cst: 1 stoke=100 centistokes=100 cst y 1cst= 100 cm 2 /seg = 1mm 2 /seg)

Gráfico 2.

Para muchos fluidos se ha determinado en forma experimental que la fuerza tangencial “F” (Newton) aplicada una placa de área “A” (m2) es directamente proporcional a la velocidad “v” (m/seg) e inversamente proporcional a la distancia “y” (m); que en forma diferencial se expresa:

τ= F/A = µ (dv/dy) El esfuerzo cortante es: F/A= τ (Newton/m 2 ) El término (dv/dy) se denomina diferencial de velocidad de corte o de cizallamiento respecto al diferencial del espesor del fluido. En forma general se puede expresar: v/y.

El factor de proporcionalidad es la viscosidad absoluta: μ. Algunas veces la denominan viscosidad dinámica.

Los fluidos que cumplen la expresión anterior se denominan Newtonianos. Para los fluidos Newtonianos, la viscosidad permanece constante a pesar de los cambios en el esfuerzo cortante. Esto no implica que la viscosidad no varíe sino que la viscosidad depende de otros parámetros como la temperatura, la presión y la composición del fluido. Para los fluidos no newtonianos, la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de cizalla no es constante, por lo tanto la viscosidad (μ) no es constante.

6. Viscosidad y sus unidades De aquí surge la definición: la viscosidad es la resistencia de un líquido a fluir. Dicho de otra manera más genérica: la viscosidad es la propiedad de un fluido por la que se opone a deformarse o es la resistencia de un fluido a las deformaciones tangenciales y la oposición se debe a las fuerzas de cohesión moleculares.

La viscosidad absoluta o dinámica (μ) tiene como unidades: Newton x seg/m 2 (Sist. Internacional) y también: dina x seg/cm 2 = Poise (Sist. Cegesimal).

Otras unidades de la viscosidad En la práctica existen otros métodos empíricos para medir la viscosidad y vamos a tratar los más conocidos.

A. Viscosidad en Segundos Saybolt Universal (SSU): Es el tiempo que tardan 60 cm 3 de un aceite u otro fluido en discurrir por un pequeño tubo capilar calibrado de un viscosímetro Saybolt Universal a una temperatura especificada, según lo indicado por el método de ensayo ASTM D 88.

La relación que aproximadamente relaciona a la viscosidad cinemática con los SSU es: φ=0.00226t–1.95/t

donde φ está en STOKES y t en segundos. Estos viscosímetros son utilizados en EE.UU. y su zona de influencia.

Para fluidos de alta viscosidad se usan los Segundos Saybolt Furol (SSF). La relación que aproximadamente vincula a la viscosidad cinemática con los SSF es:

φ =0.00224t–1.84/t

donde φ está en STOKES y t en segundos. Estos viscosímetros también son utilizados en EE.UU.

Los equipos de ensayo y pruebas utilizados para ambos casos, difieren únicamente en los diámetros de los orificios calibrados de escurrimiento, siendo para Saybolt Universal un tubo vertical de 0,483± 0.004 pulgadas de longitud y 0,0695 ± 0,0006 pulgadas de diámetro (aprox. 1,765mm ± 0,015mm.), y para el Saybolt Furol un tubo vertical de 0,483± 0,004 pulgadas de longitud y 0,1240 ± 0,0008 pulgadas de diámetro (aprox.3,15mm ± 0,020 mm.)

B.-Viscosidad en grados Engler (°E): Al dividir el tiempo en el que discurren 200 cm 3 de aceite a 20°C = 68°F, entre el tiempo empleado en discurrir 200 cm 3 de agua a 20 ºC = 68 ºF, da como resultado los grados Engler. Se pueden

usar otras temperaturas de prueba pero deben indicarse al dar los resultados de las pruebas. Se usa un aparato parecido al viscosímetro Saybolt.

°E = tiempo para evacuar 200 cm 3 de aceite / tiempo para evacuar 200 cm 3 de agua. La relación que aproximadamente relaciona a la viscosidad cinemática con los °E es:

φ=0,0731°E–0,0631/°E

donde φ está en STOKES y °E son los grados Engler. Estos viscosímetros son utilizados en Europa.

C. Viscosidad en grados Redwood (GR): Al dividir el tiempo en el que discurren 50 cm 3 de aceite, entre el tiempo empleado en discurrir 50 cm 3 , se obtienen los grados Redwood. Se usa un aparato diferente a los anteriores. Se usan 70°F, 100°F, 140°F, 200°F como valores de referencia en las pruebas.

GR = tiempo para evacuar 50 cm 3 de aceite / tiempo para evacuar 50 cm 3 de agua.

La relación que aproximadamente relaciona a la viscosidad cinemática con los GR es:

φ=0,027GE–20/GE donde φ está en STOKES y GE son los grados Redwood. Estos viscosímetros son utilizados en Gran Bretaña.

vocará desgaste por falta de “colchón hidrodinámico” o explicado de otra forma: el aceite se escurrirá y no creará una película o “colchón” entre piezas. Por el contrario, si la viscosidad es demasiado elevada, el consumo de energía será superior, amén de provocar desgaste al no fluir el aceite con suficiente soltura por las cavidades. Es por este motivo que hay que respetar siempre y en todo momento las especificaciones marcadas por cada fabricante para sus distintos tipos de compresores.

7. Propiedades que deben tener los aceites -Bajo punto de floculación o precipitación: En los aceites minerales, la separación de la cera existente en el aceite que se llega a mezclar con el refrigerante puede crear una obstrucción en la válvula de expansión termostática, tubo capilar o controles de orificio. La temperatura o punto de floculación se determina mezclando 10% de refrigerante con 90% de aceite en un tubo de ensayo cerrado y luego se baja la temperatura hasta que aparezcan ceras o grumos que se precipiten. Es un valor importante, porque si su valor es alto, a no muy bajas temperaturas de evaporación, esos grumos o ceras se depositarían en el evaporador del circuito frigorífico restándole eficiencia, evitando retorno de aceite al compresor y/o taponeando la válvula de expansión o tubo capilar. Este problema no lo tienen los aceites sintéticos, por lo tanto, no tienen punto de floculación.

- Buena estabilidad térmica: Debe soportar altas temperaturas porque no debe formar depósitos de carbón en el compresor, en lugares de alta temperatura tales como las válvulas de descarga del compresor.

o ninguna reacción química con el refrigerante o con materiales propios del circuito frigorífico.

- Bajo punto de fluencia: Que es la habilidad del aceite de permanecer en estado de fluidez a la temperatura más baja en el sistema. Punto de fluencia es la más baja temperatura a la cual todavía puede fluir.

- Buena miscibilidad y solubilidad: Propiedad de mezclarse fácilmente con el refrigerante. Asegura que el aceite retornará hacia el compresor, aunque una excesiva solubilidad puede resultar en el “lavado” del aceite lubricante de las partes móviles.

- Bajo punto de congelación: Esta temperatura a la cual el aceite empieza a congelarse debe ser la más baja posible. En aplicaciones de ultra-baja temperatura es muy importante conocerla.

- Bajo índice de viscosidad: Es la habilidad del aceite lubricante de mantener una buena viscosidad a altas temperaturas, una buena fluidez a bajas temperaturas y proveer una buena película de lubricante todo el tiempo.

-Alto punto de inflamación: Porque es la temperatura a la cual el aceite empieza a emitir vapores inflamables que pueden encenderse en contacto con una llama.

- Alto punto de combustión: Porque es la temperatura a la cual el aceite puede arder así se haya retirado la llama que le dio origen a la combustión.

- Alta resistencia dieléctrica: Debe ser alta porque es la resistencia que ofrece al paso de la corriente eléctrica. Importante en compresores herméticos y semiherméticos porque el aceite está en contacto con el bobinado de los motores eléctricos.

9. Tablas de propiedades que muestran los fabricantes de aceites Solo como guía, mostramos tablas de propiedades de los aceites, porque en la práctica deben consultarse las tablas proporcionadas por los fabricantes, porque hay ligeras diferencias entre los valores de dichas propiedades de un fabricante a otro. Tabla 2. Aceite Alquilbenceno (AB).

Tabla 3. Aceite poliolester (POE).

Tabla 4. Aceite POE para compresores con CO 2 .

* Ing. Ernesto Sanguinetti Remusgo, Gerente División de Ingeniería –COLD IMPORT S.A.- Lima – Perú. esanguinetti@coldimport.com.pe

El futuro de la refrigeración (II)

por daVe ruLe*

Continuamos con la visión del presidente del Instituto Internacional de Refrigeración por Amoníaco, Dave Rule, sobre lo que le depara a la refrigeración para los años venideros.

En la primera parte de este artículo, presentada en la edición 6 de 2019, hablamos sobre el impacto de los cambios regulatorios para los refrigerantes, también se destacó el tema de cómo el mundo aborda las reglas y reglamentos sobre los ‘F-gases’, y se explicó cómo los profesionales están en la búsqueda de soluciones innovadoras. Ahora es momento de explicar otros temas que influyen en el futuro de la refrigeración.

tico en el futuro de la refrigeración. Los métodos de diseño han mejorado, y ahora podemos diseñar sistemas con menos refrigerante; reduciendo la carga en los sistemas; particularmente para el amoniaco. Esto ha permitido un uso sostenible de los refrigerantes naturales.

La tecnología que involucra componentes que nos permiten diseñar sistemas con menos carga de refrigerante es un desarrollo emocionante. Las instalaciones de amoníaco más grandes han aprovechado esta nueva tecnología de ingeniería. La innovación en el diseño de equipos que reducen significativamente la carga de refrigerante, reduciendo así los riesgos en seguridad para empleados y comunidades circundantes, ha sido invaluable en la industria de refrigeración industrial. Muchos de estos nuevos diseños también han resultado en sistemas de mayor eficiencia, con una menor demanda eléctrica en la red. Esto, a su vez, resulta en un impacto positivo para nuestro medio ambiente.

La introducción de unidades pequeñas y de baja carga proporciona nuevas oportunidades para que los fabricantes e ingenieros de refrigeración diseñen, construyan, e instalen “sistemas envasados“ con cargas pequeñas de refrigerante. Esto ofrece lo mejor de ambos mundos para nuestra industria. A medida que los fabricantes de equipos continúen aumentando sus instalaciones de producción y nuestra tecnología siga mejorando, veremos que el costo de estos productos será más competitivo en relación con los sistemas de refrigeración tradicionales con refrigerantes sintéticos (HFCs). En el pasado no teníamos esta opción. La nueva tecnología ha ofrecido soluciones innovadoras para mantener nuestra industria conforme con regulaciones y productividad.

Las mejoras en la tecnología también han llevado al diseño de sistemas de refrigeración con refrigerantes secundarios, que mejoran la eficiencia y reducen los costos de energía. Estamos viendo este tipo de transiciones en todo el mundo. Un vistazo a la industria de supermercados muestra que los sistemas de paquete de amoníaco con baja carga y los sistemas de refrigeración en cascada con refrigerantes secundarios están ganando popularidad, ofreciendo una eficiencia mejorada y proporcionando soluciones necesarias.

Responder a los cambios El futuro de la refrigeración debe implicar un claro reconocimiento de las transiciones que se están produciendo. El IIAR ha tomado la iniciativa de adelantarse a estos cambios. Estamos comprometidos a evolucionar para apoyar la aplicación de refrigerantes naturales en nuevos mercados, hacer frente a los desafíos regulatorios y apoyar a nuestros miembros en todo el mundo. Estas son solo algunas de las maneras en que hemos respondido a los cambios que se están produciendo:

• Nuestra organización ha desarrollado guías prácticas para la gestión y manejo seguro de los sistemas de refrigeración con amoníaco, conocidas como ARM y ARM-LC. Hemos trabajado extensamente con técnicos e ingenieros voluntarios para desarrollar estas pautas técnicas y así abordar el cambio que ocurre en la industria comercial y minorista de alimentos. • Hemos renovado y actualizado el manual CO 2 existente con un amplio apoyo del sector industrial comprometido a abordar tanto la industria de procesos alimentarios industriales, como las amplias aplicaciones que ahora se trasladan a los sectores de refrigeración comercial. • El primer borrador del nuevo estándar de seguridad de CO 2 para la industria se completó en 2018 y se abrió a comentarios y revisión pública en marzo de 2019. Este estándar de seguridad se refiere al diseño, instalación, mantenimiento y operación de los sistemas CO 2 . El estándar fue elaborado por un comité equilibrado con individuos de industrias industriales y comerciales. Esperamos que este estándar sea aprobado y procesado por ANSI dentro de un año.

El futuro de la refrigeración también nos ha llevado a centrarnos en los refrigerantes de hidrocarburos. El sector de la distribución de embotellado y bebidas y la industria de los supermercados se ha concentrado en utilizar sistemas autónomos de baja carga que utilizan hidrocarburos como refrigerantes. Las empresas europeas encabezan este interés, pero Estados Unidos también está considerando estos refrigerantes como una solución potencial. En el frente regulatorio, la IEC, Comisión Electrotécnica Internacional, aprobó recientemente un aumento de 150 gramos de refrigerante por sistema a 500 gramos; expandiendo así las oportunidades en las que los diseñadores pueden aplicar refrigerantes de hidrocarburos en más aplicaciones.

En respuesta, hemos desarrollado un grupo de trabajo para revisar el uso de refrigerantes de hidrocarburos y desarrollar las normas de seguridad necesarias para apoyar nuestra industria en todos los sectores del mundo. Esto implica ampliar el estándar de ASHRAE y trabajar con nuestra organización hermana más grande para coordinar el desarrollo y la implementación de un nuevo estándar.

Otro esfuerzo para responder a los cambios en la industria de la refrigeración es llegar a un público más amplio. Estamos en el proceso de traducir todos nuestros documentos regulatorios y estándares al español. Además, las sesiones de conferencia en la IIAR Natural Refrigeration Conference & Expo en marzo de 2019 presentaron un

de personas técnicamente capacitadas en plantas de producción de alimentos, industria comercial de venta al por menor de alimentos, fabricación de equipos, contratación y diseño de ingeniería, el programa de “Becas de los Fundadores” está disponible para ayudar a los nuevos talentos a prepararse para la industria de refrigeración.

nuevo seguimiento de documentos técnicos, talleres y paneles para distribuidores comerciales de alimentos y minoristas. Este es un esfuerzo para invitar a más personas a aprender sobre el futuro de la refrigeración y educar a los miembros existentes.

El IIAR se asoció con el Consejo de Refrigeración Sostenible de América del Norte para compilar una agenda que abarcaba tanto la refrigeración comercial como el mercado industrial tradicional. Esto, junto con el impulso para avanzar en los documentos estándar de seguridad, es un paso adelante para la industria a medida que continuamos adoptando nuevas tecnologías y soluciones innovadoras.

Investigación en curso para anticipar el futuro de la refrigeración El IIAR, a través de la Fundación de Refrigeración de Amoníaco (ARF) ha establecido metas para proporcionar a nuestros miembros y a la industria herramientas con el propósito de ayudar a nuestros miembros a operar sus sistemas de manera más eficiente y, por lo tanto, ahorrar dinero. Con la evolución de las regulaciones y la introducción de sistemas eficientes y refrigerantes naturales, la necesidad de investigación es fundamental para nuestro crecimiento en el futuro.

Nuestra misión en el ARF, como fundación sin fines de lucro de investigación y educación, es identificar, financiar e implementar programas científicos y educativos relacionados con el uso de refrigerantes naturales en todos los sectores de la industria.

Las "Becas de los Fundadores” de la Fundación de Refrigeración de Amoníaco proporcionan subvenciones cada año para apoyar a estudiantes con especializaciones en ingeniería y ciencias que deseen seguir una carrera en la industria de la refrigeración. Con la creciente necesidad La investigación es la otra piedra angular de la Fundación de Refrigeración de Amoníaco. Cada año, la Junta de ARF considera nuevos proyectos de investigación que se basan en tecnología actual y proporcionan la ciencia necesaria para garantizar que nuestras instalaciones funcionen de manera segura y eficiente en el futuro.

Estos programas de investigación han abarcado el análisis de los procedimientos y prácticas de aislamiento de refrigeración; la ciencia necesaria para dimensionar correctamente las tuberías de amoníaco para los sistemas para reducir los costos de instalación; y asegurar el funcionamiento más eficiente y seguro de los sistemas.

Creemos que proporcionar a nuestros usuarios finales datos transparentes es la clave para una fundación exitosa en investigación y educación. A medida que cada nueva propuesta de investigación es examinada, aprobada y ejecutada, estamos aprendiendo que el futuro de la refrigeración no siempre es algo que podemos predecir.

Lo que podemos predecir, sin embargo, es que el cambio es inevitable y a través de la adopción de estándares de seguridad, la mejora de los programas educativos y la adopción de nuevas tecnologías, podemos seguir operando eficazmente para promover nuestra misión, proteger nuestro medio ambiente y catapultar operaciones en el futuro. El IIAR seguirá abogando por las mejores prácticas de ingeniería; al igual que, por regulaciones y estándares que sean justos para nuestros miembros y que ofrezcan una mayor seguridad para nuestra industria.

Para terminar, el único factor que sigue siendo seguro es que la industria de la refrigeración seguirá experimentando cambios drásticos en los próximos años en respuesta a nuevas regulaciones, métodos de ingeniería mejorados y nuevas tecnologías de equipos. La creciente necesidad de abordar los problemas ambientales impulsará la búsqueda de refrigerantes que aborden las futuras normas de seguridad. A través de la implementación de estándares de seguridad basados en el consenso y los avances tecnológicos, los refrigerantes naturales continuarán ofreciendo soluciones que abordan los retos ambientales y de seguridad a los que se enfrenta nuestra industria en todo el mundo.