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| Jean-Yves Clairé Ingeniero de Lubricantes | François Péricat, Ingeniero fabricantes Francia / Iberia / Reino Unido |
¿En qué se diferencia la lubricación de los compresores de CO2 de las demás? ¿Cuáles son las implicaciones?
J-YC/FP: El R-744 que presenta un ODP* de 0 y un PCA de 1 se caracteriza por su gran número de ventajas, en particular, un elevado calor de vaporización y un bajo volumen específico, además de ser no tóxico y no inflamable. No obstante, se requieren conocimientos técnicos específicos para superar los numerosos desafíos tecnológicos que plantea su utilización como, por ejemplo, su extremada solubilidad en los lubricantes y el efecto altamente solvente del CO2 en forma de líquido o niebla.
What types of lubricants do you recommend?
J-YC/FP: La refrigeración por compresión utiliza el famoso principio de la vaporización, por el cual el fluido refrigerante pasa de estado líquido a estado gaseoso y durante el cual se absorbe una importante cantidad de calor, lo que conlleva la “producción de frío”. Si bien este principio básico permanece invariable, existen numerosas variantes en las instalaciones industriales que funcionan con CO2, como, por ejemplo, las instalaciones en cascada, los evaporadores secos o inundados, los boosters y los sistemas subcríticos o transcríticos del refrigerante. El tipo de fluido refrigerante y el diseño de la instalación son los dos aspectos que van a determinar el tipo de lubricante que se vaya a utilizar: en una instalación que busca una perfecta miscibilidad entre el CO2 y el lubricante se utilizarán aceites de tipo POE (poliolésteres), mientras que en sistemas donde se prefiera una “no miscibilidad” se utilizarán lubricantes de tipo PAO (polialfaolefinas) o PAG (polialquilenglicoles), tal y como muestra la figura 1.
¿Puede explicarnos brevemente la lubricación de cada tipo de compresor?
JJ-YC/FP: Existen dos categorías de compresores de CO2: de émbolo y de tornillo. Los requisitos generales de lubricación de los cojinetes en los compresores frigoríficos de émbolo son comparables a los de los demás compresores: en el caso de unidades pequeñas, el aceite se aplica a las bielas y los cilindros mediante lubricación por barboteo, mientras que en las unidades grandes, una bomba de aceite acoplada engrasa los cojinetes y las bielas mediante circulación de aceite. Sea cual sea el tipo de aplicación, miscible o no miscible, es importante comprender que la lubricación de los elementos del compresor se realiza mediante la combinación lubricante/CO2. La solubilidad del refrigerante en el aceite depende, por una parte, del comportamiento intrínseco de la combinación refrigerante/lubricante y, por otra parte, de la presión: cuanto más alta sea la presión, mayor será la solubilidad y cuanto mayor sea la solubilidad, más se reducirá la viscosidad. Esta regla se aplica al CO2 y a los POE, PAO y PAG.
La película de aceite en la camisa de un compresor de refrigeración de émbolo está sujeta a bajas temperaturas en el lado de la aspiración (por ejemplo, -42 °C para una presión de aspiración de 9,3 bares abs) y a temperaturas más elevadas a nivel de las válvulas de descarga (entre 50 y 75 °C en función de los parámetros de funcionamiento).
Como la viscosidad disminuye con la temperatura, el lubricante experimentará una viscosidad mucho mayor en la aspiración que en la descarga. Por lo tanto, nos enfrentamos a dos efectos opuestos: el aceite no debe ser tan viscoso como para formar rápidamente una fina película sobre el conjunto de las superficies que se van a lubricar, pero debe ser lo suficientemente viscoso como para que, a pesar de la solubilidad del CO2, aporte una protección adecuada contra el desgaste. Asimismo, hay que tener en cuenta que el refrigerante arrastra el aceite más allá del compresor, por lo que la noción de miscibilidad será muy importante, tal y como se explica más adelante.
Observaremos que cuando un compresor de émbolo que funciona con CO2 está parado, la temperatura del aceite se mantiene gracias a unas resistencias situadas en el cárter, de modo que se facilita la desgasificación del CO2 del aceite y, de esta forma, se obtiene una mayor viscosidad cuando se vuelve a poner en marcha. Así, al poner de nuevo en marcha el compresor, se evita el fenómeno de desgasificación por el cual se arrastraría la película de aceite mediante un efecto de soplado.
El aceite en el cárter está sujeto a la presión de aspiración (baja presión). Por lo tanto, hay que tener en cuenta la solubilidad del CO2 a la temperatura del cárter y la presión de aspiración para evaluar la viscosidad residual del lubricante utilizado con ayuda de las curvas de viscosidad, presión y temperatura. Así pues, la viscosidad mínima para la lubricación correcta de un compresor de émbolo es de: 30 centistokes a nivel del cigüeñal. 7 centistokes a nivel del contacto camisas/segmentos de la cabeza del émbolo. Por lo tanto, se utilizará un grado de viscosidad de entre 46 y 100 centistokes a 40 °C para obtener la viscosidad mínima necesaria para garantizar una buena lubricación de los elementos del compresor de émbolo, habida cuenta de la solubilidad del CO2.
¿Y en el caso de los compresores de tornillo?
J-YC/-FP: En las instalaciones de CO2 también se utilizan compresores de tornillo lubricados o “húmedos”. En estos sistemas, el aceite lubrica la superficie de contacto de los tornillos y los cojinetes de los tornillos macho y hembra. El lubricante se encarga de la estanqueidad entre los tornillos, del enfriamiento de los gases comprimidos y del control hidráulico de regulación. Cabe destacar que en la lubricación de los compresores de tornillo lubricados, el aumento de presión es continuo a lo largo del perfil del tornillo. Esto significa que la solubilidad del CO2 en el lubricante es máxima en las presiones y temperaturas de descarga del compresor; esto conlleva una reducción significativa de la viscosidad. Para lubricar los compresores de tornillo, se utilizará un grado de viscosidad más elevado que para los compresores de émbolo: generalmente grados de viscosidad entre 68 y 220 centistokes a 40 °C para compensar el descenso de la viscosidad.
¿Plantean ambos tipos de compresores desafíos comunes en materia de lubricación?
J-YC/FP: Sí, efectivamente. La solubilidad del CO2 es “máxima” en el aceite a la salida del separador. Conviene prever un sistema de calentamiento o rectificación del aceite a la salida del separador para eliminar el máximo de CO2 gaseoso disuelto en el aceite antes de reinyectar el lubricante en el cárter del compresor que experimenta la baja presión.
De no eliminarse este CO2 disuelto, se producirá un fenómeno de desgasificación muy importante que puede provocar fallos de lubricación debido a una formación de espuma considerable en el aceite. Este fenómeno afecta muy negativamente al poder lubricante del aceite. Además, una mínima variación de presión o de temperatura en la aspiración puede provocar la formación de niebla de CO2. La presencia de estas finas gotitas de CO2 líquido puede provocar un deslavado de la película de aceite que resultaría nefasto a nivel del contacto segmento/camisa o del contacto cojinetes/muñequilla. La vaporización de esa niebla también puede arrastrar la película de aceite mediante un efecto de soplado. Observaremos una importante pérdida de la película de aceite y de los contactos metal/metal, por ejemplo, entre los segmentos del pistón y la camisa, lo cual podría derivar en roturas. Para evitar esta condensación del CO2, los diseñadores e instaladores recomiendan calentar de 10 a 15° Kelvin el CO2 gaseoso en el lado de la aspiración del compresor.
Ventajas e inconvenientes de los diferentes tipos de aceites POE / PAO / PAG
POE: gran pureza, estabilidad química, resistencia a la tensión térmica, capacidad para soportar altas temperaturas (+210 °C), miscibilidad con el CO2, baja volatilidad. Inconveniente: higroscópico. Aplicaciones habituales con CO2: aplicaciones miscibles.
PAO: estabilidad hidrolítica, gran pureza, muy alta resistencia a la tensión térmica, amplios rangos de temperatura de -45 °C a +175 °C, muy baja viscosidad en frío, baja volatilidad, excelente protección contra el desgaste. Aplicaciones habituales con CO2: aplicaciones no miscibles.
PAG: gran pureza, excelente poder lubricante, estable al calor y a la tensión térmica, capacidad para soportar temperaturas constantes de hasta 210 °C. Inconveniente: más higroscópico que el POE, incompatibilidad con algunas juntas y pinturas, suele ser incompatible con el aceite mineral y el PAO porque no es miscible con estos últimos.
Aplicaciones habituales con CO2: aplicaciones no miscibles.
ExxonMobil y Mobil son marcas comerciales registradas propiedad de Exxon Mobil Corporation o una de sus filiales, entre ellas, Esso S.A.F. que las comercializa en Francia. Esso S.A.F. Sociedad Anónima con un capital de 98 667 521,70 € RCS Nanterre 542 010 053 5/6 Place de l’iris 92400 Courbevoie.