3.1 Lubricantes

13.1 Lubricantes 1

Aceites13.1 Lubricantes

Son sustancias que se interponen entre dos superficies (una de las cuales o ambas se encuentran en movimiento), a fin de dis-minuir la fricción y el desgaste. Los aceites lubricantes, en gene-ral, están formados por una base más aditivos.

13.2 Función de los lubricantes Cabe destacar las siguientes:

a) Facilitar el movimiento:

• Reduciendo el desgaste. • Reduciendo el consumo energético.

b) Refrigerar componentes. c) Transmitir la potencia. d) Proteger de la corrosión. e) Mejorar la estanqueidad. f) Evacuar las impurezas.

13.3 Tipos de aceite En principio, los aceites se clasifican en dos grandes grupos: de origen mineral y sintéticos. Los aceites de origen mineral se extraen del petróleo y están for-mados, por tanto, de cadenas de hidrocarburos. Pueden ser agru-pados en los siguientes conjuntos: — Aceites Parafínicos: Constituidos por una cadena lineal saturada:

— Aceites Nafténicos: Constituidos por una cadena cíclica saturada:

H H

H C C H

H C C H

H H

H H

H C C H

H H

13.3 Tipos de aceite 2

— Aceites Aromáticos: Constituidos por una cadena cíclica insaturada: H H

C CH C C H

C C

H HEn la industria de la refrigeración, su uso como lubricantes ha quedado limitado a los dos primeros, si bien en el último cuarto del siglo XX, debido al problema que representaba la separación de ceras en los aceites parafínicos a bajas temperaturas, se utiliza-ron exclusivamente los aceites con bases nafténicas. En realidad, los aceites comúnmente empleados no se obtienen a partir de una única base y están formados por una mezcla de los tres tipos, recibiendo su denominación en función de la preponde-rancia de una de ellas:

• Las parafínicos, con una proporción principal de base para-fínica superior al 75%.

• Los nafténicos, con una proporción principal de base nafté-nica superior al 75%.

• Los aromáticos, con una proporción principal de aromáticos superior al 50%.

No obstante, durante el proceso de obtención, se eliminarán práctica-mente los componentes aromáticos debido a que sus carac-terísticas los hacen inapropiados para la lubricación. En la figura 131 se puede apreciar la formulación de los distintos tipos de aceites.

Figura 131

13.3 Tipos de aceite3

El componente que define el aceite es la base, pues los aditivos se deterioran fácilmente con el tiempo y, además, en ocasiones pre-sentan incompatibilidades con los materiales usados. El principal inconveniente que presentan los aceites minerales es que se obtienen por la destilación fraccionada del petróleo, estan-do formados por un conjunto de cadenas de diferente longitud (distinto número de átomos de carbono). Durante el ciclo de traba-jo, las cadenas más cortas (hidrocarburos más volátiles) se vapori-zan con mayor facilidad, con lo que tiende a aumentar la viscosi-dad del fluido restante, lo que originará una mala lubricación de la máquina; además, por efecto del trabajo de cizalladura de las par-tes para lubricar sobre las cadenas, éstas se rompen en fragmentos más cortos que se volatilizarán con mayor facilidad. Los denominados aceites sintéticos son los que se obtienen úni-camente por síntesis química, ya que no existen en la naturaleza. Una de las grandes diferencias de los aceites sintéticos frente a los minerales es que presentan una estructura molecular definida y conocida, así como propiedades predecibles, fruto de esta infor-mación. A su vez, los productos que se conocen como lubricantes sintéticos pueden clasificarse en alguna de las siguientes familias citadas a continuación:

• PAO (Polialphaolefinas): Son el resultado de una reacción de polimerización de compuestos olefínicos. También son cono-cidos como Hidrocarburos de síntesis, por ser "construidos" ar-tificialmente con productos procedentes del crudo petrolífero. Se aplican en aceites frigoríficos por su buena fluidez a bajas temperaturas y su elevado índice de viscosidad.

• Alkilbenzenos: También son aceites sintéticos que en su es-tructura contienen una cadena bencénica y que presentan, como su ventaja más característica, una notable solubilidad con los HCFC, mucho mejor que los PAO o, incluso, que los aceites minerales. Esta ventaja puede representar un incon-veniente en el caso de que el aceite se almacene temporal-mente en el sector de alta presión, como sucede con los compresores de tornillo, pues tienen una mala relación vis-cosidad/temperatura. Existe la posibilidad de mejorar esta relación aumentando la longitud de las cadenas de los hidrocarburos, a expensas de la miscibilidad; también se han llevado a cabo formulaciones mezclando alquilbenzenos con PAO para lograr la misma finalidad.

13.4 Características principales 4

• Ésteres orgánicos: Se obtienen también por síntesis, pero no se parte de productos petrolíferos. Se obtienen a partir de la reacción de esterificación entre productos de origen vegetal, tales como alcoholes y ácidos grasos de origen vegetal. Po-seen también excelente resistencia a altas temperaturas y elevada biodegradabilidad, con lo que no rompen el equili-brio ecológico ya que son fácilmente absorbidos por colonias bacterianas. Su grado de degradación biológica en estado puro y nuevo es cercano a 100%. Su mayor inconveniente radica en su elevada higroscopicidad.

En la figura 132 se puede apreciar el proceso de obtención de los aceites.

13.4 Características principales Para proceder a la comparación o al análisis de los aceites se deben tener en cuenta los conceptos que se detallan a continuación:

a) Origen. De acuerdo con las consideraciones anteriores. b) Viscosidad. Propiedad que tiene los fluidos de oponer resisten-

cia al cambio de forma:

y

v

S

F

∂∂∗= η (1)

Se define como el factor de proporcionalidad ( ) entre la pre-sión ejercida (F/S) y el diferencial de velocidad inducida ( �)

en función del incremento de altura ( y). La viscosidad deter-minada de esta manera se llama viscosidad dinámica o absolu-ta, su unidad de medida es el poise (P) o centipoise (cP) o en unidades de SI el Pascal por segundo (Pa x s); 1 Pa x s = 10 P; la viscosidad dinámica también puede medirse en kg/mxs. La viscosidad cinemática de un fluido es el cociente entre su viscosidad dinámica y su densidad, ambas medidas a la misma temperatura. Su unidad es el Stoke (St) o el Centisto-ke (cSt), y, en unidades del SI, milímetros cuadrados por se-gundo (1 mm2/s = 1cSt); también se usa el m2/s. La rugosidad de las superficies que se desplazan y la carga que se debe transmitir, determinan la viscosidad necesaria para ga-rantizar una distancia entre las partes que evite el roce.

13.4 Características principales5

Figura 132

13.4 Características principales 6

La clasificación de viscosidades, según ISO, se referencian a +40 ºC y se miden en cSt. Seguidamente se da la relación de viscosidades utilizadas en la industria frigorífica, en función del refrigerante y las condiciones de trabajo previstas:

ISO VG 22 ISO VG 32 ISO VG 46

ISO VG 68 ISO VG 100 ISO VG 200

c) Índice de viscosidad. El índice de viscosidad es un método que adjudica un valor numérico al cambio de la viscosidad con la temperatura.Un alto índice de viscosidad indica una baja variación de la viscosidad con los cambios de temperatura y un bajo índice de viscosidad indica una elevada variación de la viscosidad al modificarse la temperatura. En otras palabras, si un aceite de alto índice de viscosidad y un aceite de bajo índice de viscosi-dad tienen la misma viscosidad a temperatura ambiente, a me-dida que la temperatura aumenta el aceite de alto índice man-tendrá una viscosidad mayor que el aceite de bajo índice. Como orientación podemos facilitar los siguientes índices de viscosidad:

Aceites nafténicos sin aditivos Aceites parafínicos sin aditivos Aceites sintéticos sin aditivos Aceites sintéticos con aditivos

60 a 6590

150220

d) Punto de fluidez. Llamado también de congelación aparente, in-dica la temperatura a la que ya no fluye el aceite por efecto de la gravedad.

e) Punto de enturbiamiento. Corresponde a la temperatura a la que comienza la precipitación de parafina en un aceite puro.

f) Punto de floculación. Está determinado por la temperatura a la que comienza la precipitación de parafina en una mezcla de aceite-fluido frigorífico.

g) Índice de acidez. Viene dado por la cantidad de una base necesa-ria para neutralizar los ácidos libres presentes por unidad de masa de aceite. Suele expresarse por los mg de OHK necesarios por gramo de aceite.

h) Punto de inflamación. Temperatura a la que se desprenden los vapores de aceite en tal cantidad que, si su mezcla con el aire entra en contacto con una llama, se inicia la inflamación.

i) Rigidez dieléctrica. Máxima tensión que puede ser aplicada por unidad de distancia entre dos electrodos.

13.5 Miscibilidad y solubilidad7

j) Índice de saponificación. Corresponde al contenido de ácidos grasos libres.

k) Cenizas. Residuo mineral de los aceites que se obtiene después de una filtración y posterior calcinación a temperaturas comprendidas entre 700 y 800 ºC.

l) Contenido en materias sólidas. Constituido por todos los cuerpos extraños insolubles en el aceite y los colorantes.

m) Emulsionabilidad. Índice cualitativo que indica hasta qué punto se disgrega el aceite con el fluido, de un modo estable. Es una de las propiedades más importantes de los lubricantes para ci-lindros y turbinas a vapor.

n) Estabilidad. Invariabilidad con respecto a los cambios de estado de las propiedades de los aceites y sus mezclas con los fluidos frigoríficos.

o) Untuosidad. Es la capacidad del lubricante de llegar a formar una película de adherencia y espesor entre dos superficies des-lizantes, quedando suprimido el rozamiento entre ellas. Esta propiedad se analiza de diferentes maneras: mediante el estudio de la tensión superficial, la capilaridad, los ángulos límites, las mediciones de absorción y de adhesión, etc.

p) Poder disolvente. Índice del efecto disolvente que ejercen los aceites sobre las partes no metálicas de una instalación, se ex-presa por el número KB.

q) Punto de anilina. La temperatura mínima a la que el aceite es soluble en anilina.

r) Peso específico. s) Peso molecular medio. t) Color.u) Tendencia a la corrosión. v) Contenido máximo de agua en las condiciones de suministro.w) Límite de solubilidad.x) Resistencia al medio frigorífico (PHILIP TEST).

13.5 Miscibilidad y solubilidad entre refrigerantes y aceites

13.5.1 Miscibilidad Este concepto indica la capacidad de formar una mezcla homogé-nea que tienen dos o más líquidos cuando están contenidos en un mismo recipiente. La mezcla forma, lo que puede denominarse, una sola fase: si tomamos una muestra de cualquier punto del lí-

13.6 Incidencia en las instalaciones frigoríficas 8

quido resultante y llevamos a cabo un análisis de la misma, halla-remos la misma composición cuantitativa.

13.5.2 Solubilidad Se utiliza este nombre cuando se trata de reflejar la capacidad de un fluido de disolverse en otro, formando una mezcla homogénea. La diferencia entre ambos conceptos radica en el hecho de que dos fluidos miscibles forman una mezcla homogénea en cualquier proporción que se unan, en tanto que dos líquidos solubles entre sí tienen una capacidad limitada de dilución, superada la cual se produce una separación de los fluidos yendo el más pesado a la parte baja y el más ligero a la superior (también es posible la for-mación de lo que recibe el nombre de “lagunas” cuando se trate de dos fluidos de densidad similar). El concepto de solubilidad también puede ser expresado como “miscibilidad parcial”, lo cual representa que hasta una cierta, o a partir de una cierta, proporción hay una miscibilidad absoluta y que a partir de o hasta dicha proporción la inmiscibilidad es completa.

13.6 Incidencia en las instalaciones frigoríficas Estos conceptos revisten la mayor importancia en el análisis de las instalaciones frigoríficas. Lo ideal es que ambos fluidos, refri-gerante y aceite, sean totalmente miscibles en todo el campo de temperaturas que pueden presentarse a lo largo del circuito, pues ello permitirá que el aceite, partiendo del compresor, circule por todo el circuito y regrese nuevamente al compresor (lo que im-plica también una fluidez adecuada a la temperatura de aspira-ción deseada).

13.6.1 Cantidad de aceite que sale del compresor En todas las instalaciones en las que se utilizan compresores lubri-cados se produce una migración de refrigerante, la cual tiene lugar de la siguiente forma:

• Por arrastre, como consecuencia de la velocidad del refrige-rante en la descarga del compresor y posteriormente en el separador de aceite, la cual mediante el uso de los modernos filtros coalescentes puede limitarse a cantidades comprendi-das entre 1 y 4 p.p.m.

• A cada tipo de aceite y para cada temperatura de descarga, le corresponde una presión de vapor, con lo que el conteni-do de aceite en la descarga del compresor responderá a un mínimo equivalente a esta cantidad.

13.6 Incidencia en las instalaciones frigoríficas9

Partiendo de la ecuación (46), podemos escribir:

TRnVP AA ∗∗=∗ (para el aceite) y TRnVP FF ∗∗=∗ (para el fluido refrigerante)

Donde:

PA = Presión parcial del aceite. V = Volumen total del recinto. n A = Número de moléculas de aceite contenido en el recinto. T = Temperatura absoluta del aceite que comporta la pre-

sión parcial PA.

PF = Presión parcial del refrigerante. V = Volumen total del recinto. n F = Número de moléculas de refrigerante contenido en el

recinto.T = Temperatura absoluta del refrigerante.

El recinto es el mismo para los dos fluidos, por lo que el volumen es idéntico en las dos fórmulas; lo mismo sucede en el caso de la temperatura, ambos fluidos están sometidos a la misma tempera-tura, que es la de descarga del compresor. Los valores de n A y n F,son diferentes entre sí y corresponden al número de moléculas existente en el recinto de volumen V, de cada uno del aceite y el refrigerante, respectivamente. No obstante, las presiones parciales se estiman de diferente forma: la cantidad de aceite existente en fase de vapor depende de la temperatura del aceite y responde a la presión de vapor a esa temperatura, pues la mezcla está saturada de aceite, mientras que la presión parcial del refrigerante no corresponde a la presión de saturación correspondiente a la temperatura T, puesto que el refri-gerante está recalentado y su presión de vapor responde a la de saturación a la temperatura de condensación.

Teniendo además en cuenta que A

AA

M

mn = y

F

FF

M

mn = , tendremos:

AF

FA

F

A

Mm

Mm

P

P

*

∗= y de ahí:

F

A

FF

AA

m

m

MP

MP=

*

* , ecuación que nos permiti-

rá estimar el contenido de aceite en la descarga del compresor en g aceite/g refrigerante. Comparemos el contenido de aceite previsto con un aceite de ori-gen mineral y uno sintético, partiendo de una presión de conden-sación de +35 ºC, con una temperatura de descarga de +80 ºC:


MA = Peso molecular del aceite (395 para el aceite mineral y 1.500 para el sintético).

PA = Presión de vapor del aceite a la temperatura de +80 ºC (0,00838 mB para el aceite mineral y 0,0000361 mB para el sintético).

Además, será necesario multiplicar el resultado por 106 para obtener el resultado en p.p.m (partes por millón de aceite en el refrigerante).

mpp

molgr

Bar

molgr

Bar

..41,1410

175,13

3951000

00838,0

6 =∗∗

∗ para el aceite mineral y

mpp

molgr

Bar

molgr

Bar

..235,010

175,13

500.11000

0000361,0

6 =∗∗

∗ para el sintético

Con lo que queda patente una de las ventajas del uso de aceites sintéticos: menos contenido de aceite en la descarga y, por tanto, menos reposición en la máquina y menos suciedad en los inter-cambiadores. Obviamente, una forma eficaz de reducir el contenido debido a la presión de vapor de aceite consiste en reducir la temperatura del mismo; si la temperatura de descarga fuera de 50 ºC en lugar de los +80 ºC considerados, el contenido de aceite sería de 2,3 y 0,005 p.p.m para aceites minerales y para aceites sintéticos, respectivamente.

13.6.2 Retorno de aceite del sector de baja El aceite que sale arrastrado por el gas de descarga o en fase va-por, puede constituir un obstáculo para el intercambio térmico si se acumula en evaporadores e intercambiadores; por ello, debe procederse a retirarlo de dichos puntos. La forma en la que esto se lleve a cabo dependerá de la miscibilidad del aceite con el refrige-rante y de su viscosidad. Si se trata de una pareja que no son miscibles entre sí (como es el caso de los aceites de origen mineral y sintético con el R717), debe-rá procederse a la purga manual periódica del aceite acumulado en los evaporadores. Si es un aceite miscible con el refrigerante y la alimentación de los evaporadores tiene lugar con válvula de expansión termos-tática, entonces la mezcla es arrastrada a través del evaporador y, posteriormente, de la tubería de aspiración mediante la velo-cidad del refrigerante (es el caso del R717 con los aceites poligli-coles, los HCFC con aceites minerales y alquilbencénicos, o de


los HFC con los aceites poliéster). Si se trata de un sistema de refrigeración mediante alimentación por bombas o gravedad, entonces el aceite se decanta en el sector de baja y debe recupe-rarse por otros medios. Puesto que, en el sector de baja entra una mezcla de refrigerante con aceite y solo el refrigerante es evaporado (permaneciendo el aceite en dicho sector), la concentración de aceite se incrementaría de una forma progresiva y constante llegando a impedir el inter-cambio de calor. Para evitarlo, se toma una pequeña parte de la mezcla rica en aceite que se forma en el sistema de evaporación y se pasa a través de un intercambiador de calor, eliminando el re-frigerante contenido en la mezcla mediante evaporación, para lo que se aprovechan los gases calientes o el líquido caliente proce-dente del condensador (en las instalaciones de dos etapas antes de enfriarlo en el refrigerador intermedio). Para determinar el contenido de aceite admisible en la mezcla se tienen en cuenta las curvas de miscibilidad y el porcentaje de acei-te que afectará al intercambio térmico. La cantidad de aceite que se debe recuperar del sistema es la misma que sale del compresor con el gas de descarga. El procedimiento de cálculo es el siguiente:

• Aceite que sale del compresor = Aceite para recuperar = DAM %∗

• Concentración aceite en evaporador = EA%

• Calor vaporización refrigerante = Vh∆• Cantidad de refrigerante que se va a evaporar

=F

D

A

AMX

%

%∗=

• Potencia de intercambio necesaria en el recuperador = VhXQ ∆∗=

Así pues, partiendo de una instalación de R507 con una capacidad de 300 kW a –5/+35 ºC (considerando que el líquido sale del con-densador sin subenfriamiento y no hay recalentamiento), si admi-timos que del compresor salen 100 p.p.m y que la concentración admisible de aceite en el evaporador es del 0,25%, la capacidad del intercambiador debería ser:

• Caudal másico:

( ) skg

kgkJ

skJ

hh

QM

AC

O 787,273,25037,358

300=

−=

−=

• Aceite que sale del compre-sor = 01,0787,2 ∗


• Concentración aceite en evaporador = 25,0

• Calor vaporización refrigerante = kg

kJ2339,168

• Cantidad de refrigerante que se va a evaporar

=s

kgX 11148,0

25,0

01,0787,2 =∗=

• Potencia de intercambio necesaria

= kWs

kJQ 75,1875,182339,16811148,0 ==∗=

Y seguidamente podemos calcular el subenfriamiento que ello re-presentaría en el líquido:

kgkJ

skg

skJ

hSUB 73,6

787,2

75,18==∆ ,

lo que representa un subenfriamiento de 3,2 ºC, hecho que reper-cutirá en un aumento del efecto frigorífico útil y por tanto no habrá pérdida de COP. En la figura 133 puede apreciarse la curva-tipo de miscibilidad de un aceite con un refrigerante, con las zonas en las que es más rica la concentración de refrigerante que de aceite, la zona en la que se separan ambas substancias y la zona en la que es más rica la mezcla en aceite que en refrigerante, además de la zona de miscibilidad total. En la figura 134 se ve una representación esquemática de un dis-positivo de recuperación de aceite en un sistema que trabaja inundado. Nótese que la admisión de refrigerante al separador debe tener lugar mediante un dispositivo de regulación de fun-cionamiento en continuo (de otra forma no se garantiza la ausen-cia de retornos de líquido al compresor). Respecto al punto de toma depende de si, en las condiciones del separador, la mezcla es totalmente miscible o no y si es más pesado el refrigerante o el aceite; en general, se puede tomar en cualquier punto, pues, en todo caso, al disminuir la concentración irá diluyéndose el aceite que estuviera separado. La velocidad del gas en el tubo ascen-dente debe garantizar el arrastre del aceite.


Figura 133

Figura 134

13.6.3 Dilución del aceite en el refrigerante Puesto que, como se ha indicado anteriormente, el aceite sale con-juntamente con el gas descargado por el compresor y es necesario proceder a su recuperación desde el sector de baja, será preciso que posea una viscosidad lo suficientemente baja —a la tempera-tura de evaporación prevista— para garantizar su retorno. Por otra parte, en el compresor sería necesario disponer de una visco-sidad lo suficientemente alta para asegurar unas óptimas condi-ciones de lubricación. En el acaso de los compresores alternativos, el aceite está almace-nado en el cárter y éste está generalmente a la presión de aspira-

3.1 Lubricantes

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