Interacciones Aceite Refrigerante

Los fabricantes de compresores suelen asociarse con una marca de lubricantes, por algo más que una mera asociación comercial. El lubricante no sólo debe cumplir con exigentes requisitos, porque afecta la eficiencia, sino que la durabilidad de los compresores de sistemas de refrigeración mecánica. El problema es tan importante que el uso de un aceite inadecuado no sólo anula la garantía de un compresor nuevo. Este artículo pretende arrojar alguna luz sobre la difícil problemática de las interacciones químicas entre el aceite, refrigerantes, materiales y contaminantes, que son investigadas por los fabricantes de compresores y lubricantes para entregarnos guías. De no seguirlas las consecuencias son inesperadas.

Las características tradicionales, principales del aceite, ampliamente tratadas en toda la literatura tradicional que no serán discutidas aquí son: Viscosidad (inercia al flujo, ver norma ASTM D445); Índice de viscosidad (indica cómo varía la viscosidad con la temperatura, norma ASTM D2270); Punto de inflamación (temperatura a la cual emite vapores inflamables, norma ASTM D92); Punto de ignición (temperatura a la cual los vapores inflamables mantienen un fuego, norma ASTM D92); Punto de escurrimiento (temperatura a la cual comienza a haber escurrimiento, norma ASTM D97); Punto de floculación (temperatura a la que separa cera); contenido de carbón (norma ASTM D189); contenido de agua (norma ASTM D1744).

Los aceites usados en refrigeración son altamente refinados, aún así pueden producir irritación a los ojos, irritar la piel a exposición prolongada, irritar las mucosas de las vías digestiva y respiratoria y aunque a bajas temperaturas son de baja toxicidad, tienen un efecto laxante importante. A temperaturas mayores al punto de inflamación, los vapores son altamente tóxicos, irritantes e inflamables pudiendo producir explosiones a altas temperaturas (o presiones) con la mezcla adecuada de oxígeno. Todo esto puede empeorar si no se usan aceites de procedencia conocida. El aceite en un sistema de refrigeración cumple varios objetivos fundamentales: lubricar, estabilizar la temperatura transportando calor de las superficies que lo producen por fricción, sellar pequeñísimas fugas, transportar partículas producidas por desgaste natural a donde no producen daño, atenuar ruidos y aunque en menor medida en un sistema de refrigeración, proteger los metales contra corrosión.

Los aceites para los nuevos refrigerantes también deben cumplir con muchos requisitos conflictivos entre ellos. Los principales se resumen a continuación:

- No tóxico y biodegradable: Estas características son contrapuestas por lo que debe existir un compromiso entre ambas.

- Tener buenas características térmicas: Los aceites con bajo punto de escurrimiento, no separan cera, por lo que son adecuados para bajas temperaturas. También deben ser térmicamente estables a temperaturas normales de trabajo, pero en presencia de catalizadores como aluminio, acero inoxidable, o contaminantes pueden presentar oxidación o descomposición química como se verá más adelante.

- Ser químicamente estable: La estabilidad química es en cierta medida un concepto contrario a biodegradable y compatible con no tóxico. En general los aceites puros comerciales, son estables, pero la estabilidad debe ser evaluada también en un medio químicamente muy activo como un sistema de refrigeración mecánica.

- Tener un poder solvente bueno: El protocolo de Montreal elimina uno de los mejores solventes conocidos para sistemas de refrigeración (R11). Además no es bueno que esta tarea se deje a un refrigerante porque durante la limpieza la mayor parte será ventilada a la atmósfera, por ejemplo el R141b tiene un Potencial de Agotamiento del Ozono de 0,086 y un Potencial de Calentamiento Global de 0,15. Por esto es deseable que el aceite se pueda usar para limpiar el sistema ya que al circular se mantiene en estado líquido a todas las temperaturas de trabajo y confinado al sistema.

- No formar depósitos: Los sistemas normalmente tienen piezas móviles con partes pequeñas, como válvulas de expansión, solenoides, etc.; también en superficies extendidas en los evaporadores, es conveniente que el aceite no precipite ningún compuesto que pueda formar capas de mugre que trabe o funcione como aislante térmico.

- No ser corrosivo: En general los fluidos corrosivos son tóxicos. Aunque por su reactividad tienden a ser muy biodegradables. Los aceites no deben ser corrosivos para ninguno de los materiales del sistema.

- Tener buena compatibilidad con otros materiales del sistema: El punto anterior, la corrosión, es un caso extremo de incompatibilidad en el que dos materiales reaccionan químicamente al ponerse en contacto. La incompatibilidad es más sutíl e incluye cambios físicos en los materiales como hincharse por absorber aceite, cambios químicos en que la presencia de un material sirva como catalizador (el aceite no sería compatible con un material en presencia del catalizador), etc.

- Tener una vida de almacenamiento alta: Está relacionado con muchos de los puntos anteriores.

- Ser ambientalmente amigable: Esto significa no sólo que sea biodegradable, sino que en su fabricación no se produzcan subproductos que dañen el medio ambiente.

- Tener baja tendencia a espumar: Espuma excesiva puede dañar un compresor de refrigeración facilitando la entrada de un líquido incompresible en las cámaras de compresión. Sin embargo, se ha descubierto que una cierta cantidad de espuma en el aceite disminuye el nivel de ruido del compresor.

- Ser soluble con el refrigerante en estado líquido: Esta característica es la que permite automatizar las instalaciones, permitiendo que el aceite sea transportado con el refrigerante al menos en la fase líquida. En fase gaseosa, debe ser “arrastrado”, manteniendo velocidades adecuadas del gas refrigerante.

- Si se mezclan aceites, deben ser miscibles entre ellos: Se puede mezclar aceite blanco con aceite mineral pero no con POE. El aceite no miscible que flote evitará que el otro sea arrastrado fuera del evaporador y complica la química del sistema. Cuando no hay certeza sobre la proporción de una mezcla de aceites conviene usar un refractómetro.

Tipos de pruebas para evaluar la química del sistema

Existen tres tipos de pruebas para evaluar la compatibilidad química de materiales: Prueba en tubos de ensayo sellados, prueba de componentes, prueba de tiempo acelerado.

a) Prueba en tubos de ensayo.

Es ampliamente usada para asegurar la estabilidad química de un refrigerante en presencia de algún material del sistema. También es una herramienta para analizar las reacciones químicas que pueden ocurrir en unidades en operación.
La prueba consiste en colocar en tubos de ensayo muestras del refrigerante, aceite y pedazos de metal o del material que se va a probar (ejemplo alambre de cobre cubierto de resina). Luego se sella los tubos (sin aire) y se los somete a distintos niveles de altas temperaturas por un tiempo determinado.
Luego se comparan los tubos tratados con algunos sin calentar para verificar diferencias físicas (coloración, etc.), para luego realizar pruebas químicas usando técnicas avanzadas como cromatografía de gases, cromatografía de iones, cromatografía líquida, o pruebas con reactivos como ácidos, etc.

Originalmente se usaron estas técnicas para evaluar los lubricantes, pero su efectividad amplió su uso a otros componentes también, como los elementos desecantes como los de tipo tamiz molecular (molecular sieve).
Aunque útil esta técnica tiene desventajas porque el proceso aumenta las reacciones que pueden ocurrir en el sistema de refrigeración y puede ser mal interpretado. Además ésta es una prueba estática que no involucra movimiento mecánico de las piezas, como ocurre en los cojinetes de un compresor.

b) Prueba de componentes.

La evaluación de materiales por prueba de componentes, es mucho mejor porque simulan mejor el comportamiento del componente en condiciones dinámicas.
Éstas se realizan en grandes autoclaves presurizados, en presencia de los lubricantes y aceites. Al contrario de los tubos de ensayo donde el calor es el único medio de simular el paso del tiempo, en el autoclave se puede someter al componente a esfuerzos que aceleran ciertos fenómenos y reacciones. También permite simular otras condiciones como vibración mecánica, aplicación de voltaje y retorno de refrigerante.

c) Prueba de tiempo acelerado.

Estas pruebas se realizan en varios sistemas reales a la vez, controlando algunas variables como temperaturas, presiones y se realizan bajo condiciones severas de funcionamiento para obtener resultados rápidamente.
Al desarmar estos sistemas después de la prueba, la inspección de componentes puede entregar mucha información sobre la naturaleza y velocidad de las reacciones químicas, los productos formados por estas reacciones y los posibles efectos sobre la vida útil de los sistemas.
Una interpretación precisa de los resultados permite fijar los límites de operación de un sistema, de manera que distintos parámetros se mantengan dentro de valores aceptables.

Los refrigerantes son una parte importante al investigar la compatibilidad de materiales con mezclas aceite;

Aceptabilidad ambiental: se requiere que un aceite no contamine las aguas subterráneas (Decreto Supremo Nº 46 2002 establece Norma de Emisión de Residuos Líquidos a Aguas Subterráneas), también que el refrigerante tenga un potencial agotador del ozono nulo y potencial de Calentamiento Global tan cercano a la unidad como sea posible (la unidad es el valor asignado al dióxido de carbono).
La combinación debe proveer una eficiencia energética al menos comparable con los refrigerantes existentes o mejorarla, que se mide en el Coeficiente de Desempeño (COP). También se espera que el compuesto tenga vidas atmosféricas relativamente bajas. No inflamables. No tóxicos.

Los CloroFluoroCarbones (CFC) como R12, R11, R114, R115 han sido ampliamente usados. Debido a su contenido de cloro, tienen altos PAO y su estabilidad química (característica muy favorable para la durabilidad del sistema) ahora se ve cuestionada por su altísima vida en la atmósfera.

Los HidroFluoroCarbones (HFC) no contienen átomos de cloro, su PAO es 0 (cero), pero en general son inflamables, como metano, etano, n-butano e isobutano.

Los FluoroMetanos como R32 o R23 componentes de varias mezclas.

Los FluoroEtanos como R134a, R125 y R143a se usan en mezclas azeótropas y zeotrópicas, también con R32. R152a es inflamable y menos eficiente que R134a y tóxico. El R142b es el mejor reemplazo para el R11.

Los FluoroPropanos: como R245ca, ya se ha demostrado compatibilidad química con muchos componentes del sistema, pero pueden ser levemente inflamables  en presencia de aire húmedo a temperaturas ambiente.

Se debe investigar la reacción química de todos estos compuestos en presencia de los materiales usuales en sistemas de refrigeración, para asegurar su estabilidad química en el largo plazo.

Materiales:

Los materiales del sistema de refrigeración que reaccionan principalmente con la mezcla de refrigerantes y aceites son: El aislamiento eléctrico como el barniz del estator, elastómeros y plásticos.

La aislación de las bobinas del motor es afectada por el aceite y/o lubricante principalmente de dos maneras: extracción del polímero que recubre el cable por la mezcla o absorción por el barniz de refrigerante y aceite cambiando sus características dieléctricas.
Si se extrae material del barniz, generalmente se deposita trabando partes mecánicas o tapando capilares o conductos de lubricación.
Si el polímero que cubre los alambres del motor, absorbe refrigerante se hincha, el daño ocurre cuando el alambre súbitamente se caliente y el refrigerante absorbido se evapora rápidamente presionando al recubrimiento, trizándolo y eventualmente dañándolo. Esta evaporación es más dañina que la absorción de refrigerante. Además la absorción de refrigerante y aceite varía la constante dieléctrica del material pudiendo llegar a producir arcos entre alambres de distinto potencial. El resultado es de menor durabilidad del motor eléctrico.

Los elastómeros pueden ser atacados por los refrigerantes resultando en pérdidas de material y cambio de su comportamiento químico. El material puede dañar el sistema de refrigeración aumentando las reacciones químicas que pueden ocurrir e incluso tapar orificios, válvulas de expansión o filtros de malla. Muchos elastómeros no son adecuados para refrigeración porque se hinchan excesivamente o se encogen en contacto con refrigerantes y aceites. Algunos neoprenes tienden a contraerse en contacto con aceites en presencia de refrigerantes HFC. Un síntoma claro de esto es que las empaquetaduras tipo anillo (“O” ring) pueden presentar fugas al someterlas a un refrigerante HFC. Los nitrilos se hinchan en presencia de R123.

Para una confiabilidad del sistema, se requiere investigar a fondo los materiales usados en un sistema de refrigeración para que no presente fugas o problemas operativos después de un corto plazo.

Reacciones químicas típicas:

Todos los refrigerantes comunes HaloCarbonados tienen buena estabilidad térmica como substancias puras, con tiempos de descomposición menores al 1% por año con temperaturas del orden de 200oC.
En presencia de distintos metales, las temperaturas y tiempo de descomposición cambian, sobre todo en contacto con metales como aluminio, cobre, bronce y juntas soldadas. Si las superficies metálicas están al rojo, los refrigerantes reaccionan exotérmicamente para producir haluros metálicos y carbón.

Los Polialkilen glicoles se usan frecuentemente en la industria del aire acondicionado automotriz con R134a.

Todos estos lubricantes pueden 1) oxidarse, 2) degradarse térmicamente, 3) reaccionar con contaminantes del sistema como agua y/o 4) reaccionar con los refrigerantes y materiales del sistema como los mencionados anteriormente.

La Oxidación generalmente no es problema en sistemas herméticos SIEMPRE QUE NO EXISTAN FUGAS NI CONTAMINACION CON AIRE Y HUMEDAD (O AGUA). Si a un sistema no se le hace un vacío adecuado (bajo 400 micrones), o si se permite que tenga una fuga, el oxígeno reacciona con los refrigerantes y los aceites para formar ácidos orgánicos y cieno que son subproductos de carbono insolubles.
La presencia de fierro y cobre, sirven de catalizador al oxígeno para degradar por oxidación los aceites basados en ésteres. Estas reacciones afectan el sistema de refrigeración y pueden producir fallas. Algunos investigadores afirman que la oxidación de aceites basados en PAG produce subprodución  tos volátiles (gases inconfensables), mientras que los de aceites minerales producen mayormente cieno. También ocurre que a 204o C, en presencia de fierro, la descomposición de tanto ésteres como PAG producen agua. Esta catálisis es mayor en contacto con fierro al carbón, le sigue el aluminio y menos con cobre.

La hidrólisis de los ésteres:

Cuando reaccionan un alcohol con un ácido orgánico, se produce un éster más agua. Esta reacción se llama esterificación y es una reacción reversible. La acción inversa es la reacción de un éster más agua para producir alcohol más un ácido orgánico, llamada hidrólisis. En las siguientes fórmulas la letra R indica uno de varios radicales posibles.

Se ha investigado estas reacciones y cómo minimizar sus efectos y la mejor solución es reducir al máximo la presencia de agua dentro del sistema, sobredimensionando los filtros secadores. También se puede reducir la reacción usando los aditivos apropiados, pero hay que tener cuidado que con los aditivos la química del sistema se complica aún más.

La descomposición de refrigerantes CFC y HCFC pueden ser detectadas observando las concentraciones de los elementos formados por su reducción acompañada por concentración de Flúor y Cloro. Para HFC no se produce cloro pues no lo contiene, pero sí se puede medir concentración del ión de Flúor en el sistema.
En el caso de reconversión, de un sistema con CFC a HFC se pueden producir grandes problemas con la estabilidad química del sistema si quedan residuos que contienen cloro en el sistema. Estos residuos de cloro degradan los aceites basados en PAG. Pruebas en laboratorio han demostrado que presencia de R12 en una mezcla de R134a con aceites PAG detona reacciones químicas en concentraciones entre el 1 al 3%.

Cobrizado de piezas de acero:

El cobrizado es la formación de una película de cobre en superficies de otros metales, como fierro. La diferencia de coloración permite detectar este fenómeno claramente, pero después de pocas horas en contacto con el aire, la cubierta de cobre se vuelve invisible al convertirse el cobre en óxido de cobre. El cobrizado de piezas claves del compresor puede producir su falla. Comparando el cobrizado que se produce en combinaciones R12/aceite mineral con R134a/aceite PAG se observa en menor cantidad. El cobrizado se debe a la acción de ácidos altamente corrosivos para el cobre, como ácido clorhídrico y ácido fluorídrico que remueven cobre del sistema para depositarlo en las superficies más calientes, como bujes.
Los ácidos se producen por la descomposición química del refrigerante y aceite, ya sea sólo por temperaturas excesivas en presencia (o no) de contaminantes.
Los compresores herméticos pueden recalentarse más allá de las temperaturas de diseño, bajo condiciones adversas. Algunas de esas condiciones son: variaciones de voltaje, falta de aire circulando alrededor del compresor, recalentamiento excesivo del refrigerante en la succión, presiones de condensación demasiado altas y presiones de succión demasiado bajas.

Una exposición prolongada del compresor a éstas condiciones puede hacer que opere a temperaturas que exceden los 150°C en las bobinas, lo que junto a una mala estabilidad química de los materiales por presencia de contaminantes, puede producir la falla de la aislación del motor.

Otro lugar donde ocurren altas temperaturas es en las superficies con roce como cojinetes. Si éstas se encuentran bien lubricadas, la temperatura de su aceite no debiera ser mayor que la que se encuentra en el cárter. Pero si la lubricación falla porque el aceite no se encuentra presente o que ya está recalentado de manera que pierde sus cualidades lubricantes, la temperatura de las superficies que rozan puede ponerse al rojo.
Las altas temperaturas superficiales producen la descompcdel aceite y refrigerante produciendo compuestos como ácidos ya mencionados y metano u otras moléculas básicas que se comportan como gases incondensables a las presiones que opera normalmente los sistemas de refrigeración.

El control adecuado del sistema de refrigeración, minimiza la exposición del refrigerante a temperaturas demasiado altas. Medir niveles de acidez en el aceite permite identificar reacciones químicas potenciales y pruebas de laboratorio a tiempo ayudan al mantenimiento preventivo del sistema.

Humedad y otros contaminantes en un sistema:

Como se había mencionado, la presencia de humedad (agua) dentro del sistema facilita la hidrólisis de aceites basados en ésteres, produciendo ácidos y alcohol que producen cobrización y los alcoholes atacan fuertemente las resinas usadas en los recubrimientos de los cables eléctricos.
En presencia de oxígeno como contaminante, se forman también gases como dióxido de carbono y monóxido de carbono que son gases incondensables a las presiones que trabajan los sistemas de refrigeración. El oxígeno puede provenir de contaminación con aire por fugas o de la descomposición de la humedad (H2O).

Los aceites basados en ésteres tienen una gran afinidad química con el agua por lo que son substancias muy higroscópicas. En contacto con la humedad de aire, un aceite tipo POE (PoliOlEster) puede absorber suficiente humedad como para complicar la estabilidad química del sistema en 15 minutos. Basta que el contenido de agua sea superior a 75 ppm. (partes por millón) para detonar reacciones químicas y producir ácidos. Retirar la humedad de estos aceites es una tarea más difícil por lo que se ha debido mejorar los elementos deshidratantes, como filtros secadores.
Recientemente ASHRAE y El Instituto de Normalización y Estándares Norteamericanos (NIST) han hecho un esfuerzo conjunto para correlacionar el comportamiento de mezclas de refrigerantes con aceite. Esto debido a varias influencias que tiene el flujo de aceite en sistemas de refrigeración:

En sistemas con refrigerantes no miscibles

- Impide la ebullición en la interfaz si el aceite flota en el refrigerante.

- Perjudica la automatización de los sistemas inundados que acumulan aceite en el evaporador ya sea por flotar o por hundirse en el refrigerante.

- En sistemas sobrealimentados, perjudica el intercambio de calor. Produce comportamiento errático de filtros, orificios de inyección, reguladores y en general afecta el diseño. También afecta la automatización porque hay que rescatarlo del recibidor de baja presión y devolverlo al compresor.

En sistemas con refrigerantes y aceites miscibles

- Perjudica el intercambio de calor en los evaporadores que arrastran aceite, porque forma una película aislante y reduce el flujo de refrigerante.

- Produce caídas de presión apreciables en zonas con baja velocidad de refrigerante si se permite que se acumule.

- Empeora la distribución de refrigerante en evaporadores con distribuidores de bajo flujo, sin tobera o de inyección horizontal.

En todos los sistemas perjudica al compresor que el aceite no esté disponible para cumplir sus funciones.

Conclusiones:

- El precio de un aceite autorizado refleja no sólo un justo deseo de utilidad de los fabricantes sino que también permite la investigación en mejores productos para cada aplicación.

- No seguir las recomendaciones del fabricante en el uso de refrigerantes y aceites arroja dudas sobre la confiabilidad del sistema que debe ser informada al cliente, porque puede afectar la garantía de fábrica. Los fabricantes han realizado pruebas que se deben hacer en terreno si no se siguen las recomendaciones.

- Los aceites de dudosa procedencia pueden no cumplir con los requerimientos de contenido máximo de contaminantes como agua, no tener las características adecuadas puede ser peligroso para la seguridad del compresor y las personas que lo rodean.

- Mantener control sobre la química del sistema es primordial para asegurar la confiabilidad.

- Los aceites no miscibles no deben mezclarse más de una proporción que no comprometa el comportamiento del evaporador por acumulación.

- El correcto manejo del aceite en sistemas de refrigeración afecta desde el diseño a la confiabilidad y la salud de los operarios y del medio ambiente.

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