Análisis sobre los diferentes tipos de lubricantes existentes para compresores, tanto en refrigeración como aire acondicionado.
por Ing. Ernesto Sanguinetti*
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. Aún cuando las superficies en rozamiento pueden parecer a simple vista lizas 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.
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:
= F/A = µ (dv/dy)
El esfuerzo cortante es: F/A= (Newton/m2)
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/m2 (Sist. Internacional) y también: dina x seg/cm2 = Poise (Sist. Cegesimal).
Se usa mucho la viscosidad cinemática (φ) que es la relación entre la viscosidad absoluta (μ) y la densidad (ρ). Se calcula mediante la relación: φ= µ /ρ.
Las unidades de viscosidad cinemática son:
m2/seg (Sist. Internacional) y también cm2/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 cm2/seg = 1mm2/seg)
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 cm3 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 EEUU 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 EEUU.
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 cm3 de aceite a 20°C = 68°F, entre el tiempo empleado en discurrir 200 cm3 de agua a 20 ºC = 68ºF, 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 cm3 de aceite / tiempo para evacuar 200 cm3 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 cm3 de aceite, entre el tiempo empleado en discurrir 50 cm3, 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 cm3 de aceite / tiempo para evacuar 50 cm3 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 ilizados en Gran Bretaña.
El cualquier compresor la viscosidad correcta del aceite empleado es vital. Una viscosidad demasiado baja provocará 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 aeite 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.
-Buena estabilidad química: Debe tener pequeñísima 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 1. Aceite Mineral (MO)
Tabla 2. Aceite Alquilbenceno (AB)
Tabla 3. Aceite poliolester (POE)
Tabla 4. Aceite POE para compresores con CO2
* Ing. Ernesto Sanguinetti Remusgo, Gerente División de Ingeniería –COLD IMPORT S.A.- Lima – PERÚ. [email protected]
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