La lubricación de compresores de refrigeración

Fricción límite

Es cuando se produce el contacto más estrecho entre las dos superficies, llegando a ver contacto físico entre las puntas de rugosidad. A poco que empiece a moverse una superficie respecto a la otra, se producirán erosiones en los picos de las superficies, desprendiéndose material. Este desprendimiento se conoce como desgaste y suele ir acompañado de un incremento notable de la temperatura. La fricción límite suele producirse a velocidades bajas y requiere aceites muy viscosos y altamente aditivados para conseguir separar las superficies y evitar los desgastes.

Fricción mixta

Ahora ya no hay un contacto tan intenso entre las superficies, éste se limita a sólo las puntas o algunas de ellas propias de la rugosidad de los materiales. Para el lubricante ya no le es tan difícil conseguir una separación total y evitar los desgastes, y entonces permitir al sistema poderse mover a mayor velocidad con niveles de desgaste aceptables. Se requieren aceites de viscosidades medias y aditivación.

Fricción fluida

En este escenario, las superficies ya están completamente separadas físicamente. El lubricante ha sido capaz de evitar interacción directa entre las rugosidades de las superficies, y con ello evitar que se produzca desgaste y permitir que el sistema se pueda mover tan rápido como se requiera.

Para un correcto funcionamiento se utilizan lubricantes menos viscosos. Una viscosidad excesiva generaría un sobrecalentamiento indeseado propia de la resistencia a moverse del propio lubricante.

Una primera evaluación es que para conseguir poder evitar los desgastes necesitamos conocer la rugosidad de las superficies y también la separación entre ellas, así como la velocidad de movimiento relativo. Esto nos ayudará a definir que viscosidad de aceite necesitamos.

Las funciones principales de un lubricante

Hemos ya expuesto que la primera y primordial función de los lubricantes es ser capaz de separar las superficies de los cuerpos en movimiento relativo, intentándolo llevar a un estado de fricción fluida en las condiciones de velocidad de trabajo, y así evitar desgastes hasta un nivel deseado y aceptable que no condenen la vida del elemento mecánico.

Pero hay otras muchas funciones o requerimientos que les podemos exigir a los lubricantes:

• Refrigerar componentes y disipar calor generado
• Aportar estanqueidad
• Capacidad de sellar cavidades interiores
• Proteger las superficies frente a fenómenos de oxidación, corrosión, …
• Mantener el sistema limpio de impurezas

¿Todos los aceites son válidos para la lubricación de compresores de refrigración?

La respuesta es obvia: No. Diferentes tipos se comportarán distintamente a la hora de poder separar las superficies y crear una película separadora para evitar desgastes, refrigerar, aportar estanqueidad, sellar, proteger y mantener limpio el sistema. Hemos visto también que la viscosidad a escoger también será clave dependiendo de las velocidades de trabajo.

¿Qué importancia tiene la selección del lubricante en una instalación frigorífica?

A diferencia de otros elementos mecánicos como engranajes, o rodamientos, en los circuitos de refrigeración el aceite lubricante no queda confinado en el compresor de refrigeración, si no que puede circular conjuntamente con el propio refrigerante. Es por ello, que aparte de exigir al lubricante unas propiedades que minimicen el desgaste de los elementos móviles del compresor y su propia eficiencia, también deberemos contemplar propiedades que nos permitan tener controlado el impacto del aceite en el resto de la instalación. Incluso, podemos concluir que esta condición o necesidad debe ser escogida en primer lugar incluso antes de las propias del compresor. Principalmente, como todos sabemos el tipo de diseño del evaporador marcará que tipo de instalación dispondremos, existiendo principalmente dos tipos: de expansión seca o directa (DX) y los sistemas inundados.

Muy resumidamente, en sistemas inundados, tenemos un depósito de refrigerante líquido a baja temperatura que alimenta a demanda de refrigerante los evaporadores, éste, una vez evaporado parcialmente para atender la necesidad frigorífica, retorna nuevamente al mismo depósito. La acumulación de refrigerante vapor producido en este depósito es aspirada por el compresor de frío. Mientras que, en los sistemas de expansión directa o seca, el depósito de refrigerante líquido a baja temperatura, si existe, suele ser de capacidad mucho menor, y una vez el refrigerante líquido pasa a través del evaporador, éste evaporará completamente y retornará en fase vapor directamente al compresor sin pasar por el depósito.

En lo que concierne al aceite, y dado que éste migrará del compresor con el refrigerante, deberemos contemplar según el diseño de la instalación, cómo debemos proceder con el aceite, planteándonos preguntas como: ¿Si el aceite llega al evaporador, circulará o bien se adherirá a las superficies afectando al rendimiento?, ¿Cuándo llegué al depósito separador de partícula, se quedará mezclado con el refrigerante líquido o se separará en dos fases? ¿Si se separa, quedará en el fondo o bien flotará? ¿Si se separa, cómo puedo recuperarlo? Todas estas preguntas tienen respuestas diferentes en función de la combinación del gas refrigerante y el aceite. No hay respuestas o soluciones mejores o peores, sino más interesantes o no en función de lo que deseemos.

Aceites a utilizar en sistemas de expansión seca o directa (DX)

Buscaremos un aceite que:

• Tenga una viscosidad efectiva que evite desgastes y ofrezca un buen rendimiento del elemento compresor, en las condiciones de trabajo
• Minimice el arrastre de aceite en fase vapor o como aerosoles, que inevitablemente afectará a la eficiencia frigorífica del circuito
• Que no se separe en zonas donde tengamos el refrigerante líquido y permanezca como una sola fase circulando
• Por último, que el aceite circule a baja temperatura en los evaporadores

El factor diferencial y clave de buen rendimiento y funcionamiento es la miscibilidad. Escogeremos un aceite que presente una miscibilidad positiva en las condiciones que tenemos de temperatura de presencia de refrigerante líquido, especialmente en evaporador.

Una guía de selección, en función del gas, es:

De cualquier manera, deberemos contrastar esta condición con gráficos que nos muestren las curvas de miscibilidad y fases en función de la temperatura.

Tal y como se ha explicado, y una vez verificado que estamos en la zona de miscibilidad positiva, de forma que tenemos asegurado que no se producirá una separación en la zona de líquido y baja presión entre el refrigerante y el aceite, consiguiendo que el aceite pueda seguir el mismo circuito y conjuntamente con el refrigerante hasta retornar al compresor por la aspiración. Se ha de tener presente el segundo criterio necesario para que retorne, que es que tenga sufriente fluidez a bajas temperaturas.

El hecho de que el refrigerante y el aceite muestren una miscibilidad, es fruto de que hay una “proximidad” química entre ellos. Esta proximidad, y en las condiciones del compresor de refrigeración donde tenemos un contacto íntimo entre el aceite líquido y el refrigerante en fase vapor, hace que sea inevitable otro proceso químico que es la solubilidad. La solubilidad es la incorporación de fase gaseosa del refrigerante que se incorpora a la fase líquida del aceite, modificando sus propiedades físicas de densidad y viscosidad de forma muy importante del aceite. Si la viscosidad del aceite cae excesivamente, perderemos su capacidad de formar película separadora y con ello desgastes y averías.

Para asegurarnos, podemos consultar gráficos que facilitan los fabricantes de los lubricantes. Estos gráficos, propios de cada lubricante y para cada gas refrigerante, permiten conocer el impacto de la dilución sobre la viscosidad y su densidad en cualquier lugar de elemento compresor. Fijando la temperatura y presión, nos muestra que grado de dilución sufre el aceite y como queda mermadas sus propiedades. De firma que podamos asegurar las exigencias de viscosidad mínima y máxima exigidas por el fabricante del equipo.

Como conclusión, para sistemas DX: Escogeremos un aceite como apropiado, siguiendo el siguiente orden: Miscibilidad positiva en condiciones de baja temperatura, viscosidades efectivas dentro de las indicaciones de los fabricantes de los elementos compresores, y suficiente fluencia a las temperaturas en el evaporador.

Aceites a utilizarse en sistemas inundados

A diferencia de lo que habíamos visto en los sistemas DX, ahora el refrigerante que sale del evaporador ya no retorna directamente al compresor de frío, y sí lo hace nuevamente al depósito acumulador de refrigerante líquido.

Dado que el compresor sólo aspira refrigerante gas del depósito de líquido, se puede producir una acumulación del aceite arrastrado del compresor en este depósito de líquido. Por tanto, hemos de pensar en una forma de extraerlo fuera del sistema.

Lo conseguiremos, como por ejemplo con el gas amoniaco, si podemos tener una miscibilidad negativa, de forma que el aceite al ser más denso que el refrigerante amoniaco líquido, precipitará al fondo del depósito y podremos extraerlo.

Los requerimientos por tanto que exigiremos al aceite son los mismos que para los DX, pero con la miscibilidad invertida.

Esta eliminación rápida y efectiva que permita conducir el aceite hacia las trampas de aceite, garantizará que no vaya hacia los evaporadores solidariamente con el refrigerante líquido, y no afectar al rendimiento de intercambio frigorífico en el interior de los evaporadores.

Por todo ello, y en sistemas inundados conseguiremos un óptimo rendimiento cuando:  la cantidad migrada del compresor de refrigeración hacia el circuito sea la mínima posible, la capacidad de que éste pueda separarse efectivamente y rápidamente en el depósito de líquido y ser conducido a la purga de aceite; así como el poco o muy poco aceite que pueda llegar a los evaporadores no afecte al intercambio y siga fluyendo solidario al refrigerante líquido.

Hay documentación al respecto de que sólo 1 mm de espesor de aceite acumulado puede bajar el rendimiento de intercambio frigorífico hasta en un 10%.

¿Todos los aceites equivalentes se comprotan igual para un determinado gas y sistema?

¡Evidentemente no! Una cosa es que el compresor esté bien lubricado y evitemos el desgaste, así como que se obtenga un rendimiento suficiente de la instalación, y otra muy diferente es la excelencia o la consideración de optimización y evaluación de costes de operación. El tipo de aceite escogido, su viscosidad y su calidad marcará de una forma importante los tres factores que acabamos de concluir en el punto anterior: La migración o arrastre de aceite, su separación y conducción a las trampas de aceite y la afección al rendimiento de los intercambiadores frigoríficos.

Vemos que bajo una especificación generalista como aceite mineral polialfaolefina, … de los millones de partículas que la componen existe posibles distintas calidades por la pureza o por su calidad, muy condicionadas por el precio de adquisición.

Presencia de fracciones de partículas indeseadas, contaminaciones como azufre, etc. pueden hacer que pierdan su estabilidad química y descomponerse de forma relativamente rápida. Exteriormente apreciaremos un oscurecimiento del aceite, pero lo que hace es producirse subparticulas más pequeñas que evaporan y migran a través del separador de aceite fácilmente, y otros subproductos a su vez más pesados que acaban derivando en residuos que merman el rendimiento de los filtros coalescentes.

Un alto contenido de moléculas más pequeña que vengan en origen del aceite por insuficiente calidad, o bien generadas por mala estabilidad química, hace que éstas se evaporen o formen aerosoles mucho más estables que no son retenidos por los separadores de aceite. Con ello se van acumulando las partes más pesadas en el compresor de frío, aunque vayamos adicionando aceite fresco para asegurar el nivel. Al final lo que observamos es que la viscosidad total del aceite va aumentando hasta niveles inaceptables.

Carlos Mena

Compressor Lubricants Market Development Manager – Refrigeration at Klüber Lubrication München SE & Co. KG