Jim Fitch, Noria Corporation. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América.

 

Parece contrario a la intuición que los lubricantes seleccionados para optimizar el control del desgaste pueden no ser óptimos en lo que respecta a la conservación de energía.

De hecho, en vista de la creciente presión actual para reducir la demanda de recursos energéticos no renovables y aumentar las ganancias operativas, definitivamente estamos enfrentando un cambio de énfasis de los objetivos de lubricación anteriores. La lubricación que ahorra energía ofrece motivación en varios frentes.

Considere lo siguiente:

  1. Cuando se economiza el consumo de energía, los costos operativos de los equipos disminuyen, lo que se traduce en un aumento en las ganancias del negocio, independientemente de si la fuente de energía es renovable (hidroeléctrica, solar, eólica) o no renovable (carbón o petróleo). Para muchas industrias, el costo de la energía supera con creces el costo de mantenimiento, reparación de máquinas e incluso el tiempo de inactividad. Un pequeño porcentaje de reducción en el consumo de energía puede traducirse en grandes ganancias.
  2. La menor demanda de combustibles fósiles no renovables significa un aire más limpio, menores emisiones de gases de efecto invernadero y un medio ambiente más saludable (de creciente importancia política y social en vista del Protocolo de Kyoto sobre el calentamiento global, ISO 14001, Clear Air Act, etc.). Cuando los combustibles no se queman, no hay flujo de residuos (chimeneas, tubos de escape, etc.) y el riesgo de contaminantes por emisiones tales como óxidos de nitrógeno (el componente principal del smog), sulfatos, CO2 e hidrocarburos no quemados se reduce proporcionalmente.
  3. Con pocas excepciones, los lubricantes y los métodos de lubricación que reducen el consumo de energía también reducirán la generación de calor y partículas de desgaste; sin embargo, lo contrario puede no ser cierto. Cuando se reducen el calor y las partículas de desgaste, se impone menos estrés a los aditivos y al aceite base. El resultado será una mayor estabilidad térmica y oxidativa y, a su vez, menores cambios de aceite, menor consumo de aceite y reducción de costos indirectos asociados con los cambios de aceite (¡hasta 40 veces el costo del lubricante mismo!).
  4. Cuando se reduce el consumo de lubricante, también se elimina el desecho de aceite residual contaminante del medio ambiente y ciertos contaminantes en suspensión, algunos de los cuales pueden ser peligrosos y tóxicos; etilenglicol (anticongelante), por ejemplo.
  5. Cuando hay una mejor economía en el consumo de combustibles de petróleo y aceite lubricante de base mineral, se reduce la dependencia de las fuentes de petróleo crudo, incluidas las de países políticamente inestables.
  6. En ciertos países, incluidas las naciones de la Unión Europea, las reducciones en el consumo de combustibles no renovables pueden evitar sanciones fiscales a la energía, como el impuesto sobre el cambio climático en el Reino Unido.

En los últimos años, se ha visto un fuerte aumento en el interés por los lubricantes que ahorran energía y la lubricación que ahorra energía. Tenga en cuenta que los lubricantes que ahorran energía se relacionan con la formulación (bases y aditivos) y su selección para la aplicación de la máquina. En contraste, la lubricación que ahorra energía incluye el uso y la aplicación de lubricantes (intervalos de cambio, métodos de suministro, volumen de lubricante, etc.). Ambos pueden tener un marcado impacto en la conservación de energía.

Una mirada más cercana a estos problemas revela que hay más de lo que parece. Por un lado, la economía de energía y el control del desgaste no necesariamente van de la mano. En muchos casos, pueden ser objetivos en conflicto. ¿Por qué? Para muchas organizaciones, los factores ambientales y los costos de energía están al final en la lista de prioridades en comparación con la productividad y la confiabilidad de la máquina.

En tales casos, el objetivo principal de la práctica de lubricación es reducir el desgaste al menor costo posible. Agregue a esto la idea errónea de que los lubricantes capaces de reducir el desgaste deben ser igualmente capaces de reducir la fricción y la energía. Por lo tanto, parece oportuno explorar más a fondo la conservación de energía como un objetivo principal de la lubricación.

Propiedades de los fluidos conservadores de energía

Al formular o seleccionar lubricantes, muchos han encontrado una línea borrosa que distingue esas propiedades que reducen el desgaste de aquellas propiedades que reducen el consumo de energía. Las siguientes propiedades son importantes para reducir la fricción y el consumo de energía:

Viscosidad cinemática

Cuando se trata de economía de energía, la viscosidad puede ser tanto un inhibidor como un habilitador. Recordando la conocida curva de Stribeck, la película de aceite producida por la lubricación hidrodinámica está directamente influenciada por la viscosidad. Sin embargo, demasiada viscosidad causa pérdidas por agitación (fricción interna de aceite) y producción de calor, especialmente en motores, engranajes, cojinetes y sistemas hidráulicos.

Además de las pérdidas de energía, este aumento de calor puede descomponer más rápidamente el aceite y sus aditivos. De acuerdo con el índice de viscosidad, la viscosidad cinemática por sí misma define la resistencia de un aceite solo al flujo y al cizallamiento a una sola temperatura, típicamente 40 ºC o 100 ºC. Sin embargo, en funcionamiento normal, los aceites lubricantes pasan por un amplio rango de temperaturas.

Como tal, es el índice de viscosidad (IV) del aceite, combinado con la viscosidad cinemática lo que define cuál será la viscosidad a una temperatura de operación específica. ¿Será demasiado alta cuando la temperatura ambiente de arranque sea baja y demasiado baja cuando la temperatura de operación sea alta?

Del mismo modo, ¿cuál será la viscosidad promedio ponderada en el tiempo del aceite lubricante durante la vida útil de la máquina? Es esta viscosidad promedio la que define el consumo de energía, no las excursiones ocasionales de viscosidad basadas en la temperatura que pueden tener un mayor impacto en el desgaste (por ejemplo, arranques en frío). En general, a menudo se subestima fuertemente la importancia del IV en la conservación de la energía y el desgaste.

Propiedades no newtonianas

Se sabe que los fluidos que exhiben cambios de viscosidad dependientes del cizallamiento (conocidos como fluidos no newtonianos) reducen el consumo de energía en muchas máquinas. Buenos ejemplos son los aceites de motor mejorados en su IV (multigrados) y muchos fluidos hidráulicos diseñados para trabajar en todas las estaciones. A medida que aumenta el movimiento del fluido (cizallamiento) durante el servicio, la viscosidad efectiva del aceite se autorregula ligeramente hacia abajo, junto con el consumo de energía. Esto, en parte, explica por qué los aceites de motor multigrado de alto IV generalmente son aquellos designados por el Instituto Americano del Petróleo (API, por sus siglas en inglés) para conservar la energía.

Coeficiente de presión-viscosidad

El papel del coeficiente de presión-viscosidad (PV) en el consumo de energía no está bien definido en la literatura. Sin embargo, se entiende ampliamente que muchos aceites base exhiben un fuerte aumento de la viscosidad a medida que aumenta la presión; una cualidad necesaria en los lubricantes para lograr una eficaz lubricación elastohidrodinámica (EHD). Algunos aceites, como los aceites minerales y los PAO, tienen coeficientes PV más altos que otros, como los sintéticos a base de éster y los fluidos a base de agua.

Si bien los altos coeficientes PV pueden ser importantes para reducir el desgaste por fatiga de contacto, en algunos casos esta propiedad puede contribuir a una menor economía de combustible. La alta viscosidad inducida por la presión en las zonas de fricción deslizantes y en los sistemas hidráulicos podría dar como resultado pérdidas de energía extremadamente altas por arrastre viscoso.

Módulo Bulk

Un fluido que es similar a una esponja y es fácilmente comprimido tiene un módulo bulk bajo. Cuanto más compresible es un lubricante, mayor es el potencial de pérdida de energía y producción de calor. Esto es característico en los sistemas de circulación de aceite y en los sistemas hidráulicos.

Propiedades de resistencia de película límite

Muchos lubricantes y fluidos hidráulicos pueden obtener una resistencia considerable de la película bajo la lubricación límite y de película mixta del aceite base, sin la necesidad de aditivos. Un éster fosfatado sintético es un ejemplo de un fluido con lubricidad intrínseca. La mayoría de los otros lubricantes se basan en aditivos como modificadores de fricción, aditivos antidesgaste, extrema presión, lubricantes sólidos y ácidos grasos.

La efectividad de estos aditivos para reducir el desgaste, la fricción y el consumo de energía puede variar considerablemente entre los diferentes tipos de aditivos empleados. El desempeño de estos aditivos también varía según la máquina y la aplicación (carga, velocidad, metalurgia, temperatura y geometría de contacto).

Consistencia de la grasa

La consistencia de la grasa puede tener un impacto en el consumo de energía de manera similar a la viscosidad. La energía necesaria para mover la grasa en zonas de fricción y en cavidades adyacentes al mover elementos de la máquina se ve afectada por su consistencia y velocidad de corte (la grasa no es newtoniana). Así también, se requiere energía en algunas aplicaciones para bombear grasa a rodamientos, cojinetes y engranajes. Las pérdidas de energía por bombeo están influenciadas, en parte, por la consistencia de la grasa y el tipo de espesante.

Propiedades de canalización de la grasa

Una grasa que tiene buenas características de canalización ayuda a mantener el volumen de lubricante alejado de los elementos móviles, evitando batido excesivo y pérdidas por arrastre. Las malas características de canalización pueden conducir a un mayor consumo de energía, producción de calor y oxidación del aceite base.

Rol de las prácticas de lubricación

Si bien la formulación y selección de lubricantes son importantes, la conservación de energía también está influenciada por el diseño de la máquina y los factores de aplicación de lubricantes. Un lubricante superior no puede ofrecer mejoras si se tienen malas prácticas de lubricación o un diseño deficiente de la maquinaria. Incluso los mejores lubricantes no pueden proteger contra la destrucción causada por las partículas y la contaminación con agua.

Un estudio encontró que la contaminación con partículas puede aumentar la temperatura del fluido hasta en ocho grados Celsius (debido al aumento de la fricción). Se ha descubierto que una mayor limpieza de los aceites en el cárter reduce el consumo de combustible en los motores diésel en uno a cuatro por ciento o más.

Se sabe que los rodamientos con exceso de grasa incrementan las pérdidas por fricción y aumentan su temperatura. Lo mismo sucede con los rodamientos con baja lubricación. Para los rodamientos lubricados por baño y los engranajes lubricados por salpique, un cambio en el nivel de aceite de tan solo 1.3 cm (media pulgada) puede aumentar la temperatura en más de 10 grados Celsius. Esto, por supuesto, se traduce en un mayor consumo de energía, una vida útil más corta del aceite y un mayor desgaste.

Aceites excesivamente aireados debido a sellos desgastados y niveles de aceite incorrectos pueden tener efectos similares (pérdida de módulo bulk). También se han realizado estudios que muestran los efectos negativos en la economía de combustible en motores diésel por extender los cambios de aceite. Además, los reemplazos de filtro incorrectamente programados causan excesiva resistencia al flujo y derivación de fluido.

A menudo, ambos pueden corregirse mediante el uso frecuente y adecuado del análisis de aceite en la selección del intervalo óptimo de cambio de aceite y filtro, adaptado al tipo de equipo y su aplicación.

Rol del diseño de la máquina

El diseño de una máquina y la calidad de su fabricación también pueden afectar la eficiencia energética. Junto con la carga operativa y la velocidad, el diseño de la máquina influye en el tipo de lubricante que debe emplearse para la protección contra el desgaste y la eficiencia energética. He mencionado la importancia de las películas de viscosidad producidas por la lubricación hidrodinámica y elastohidrodinámica, así como la resistencia de la película límite de los aditivos y la química del aceite.

Estos regímenes de lubricación se relacionan con la dinámica de contacto asociada con el diseño y las condiciones de operación de una máquina. Además, el espesor específico de la película, también conocido como lambda, pone en evidencia la influencia de la rugosidad de la superficie y la alineación del eje.

Muchos usuarios y proveedores han reportado ahorros de energía de las tecnologías de entrega de lubricantes a toda pérdida, como la niebla de aceite y los sistemas centralizados de lubricación. La cantidad de fluido que utiliza una máquina para lubricar superficies de fricción en cualquier momento es extremadamente pequeña en comparación con la cantidad de fluido que algunas máquinas deben mantener en movimiento continuo.

La ventaja de algunos sistemas de lubricación a toda pérdida es que hay una pérdida mínima de energía por la agitación constante del fluido y la resistencia al flujo de los lubricantes que se mueven a través de las líneas. Se observa un ejemplo de fricción interna del fluido cuando se coloca un aceite en una botella y luego se agita. La temperatura del aceite aumentará.

Además, los sistemas de lubricación por baño, salpique y recirculación utilizan el mismo aceite una y otra vez. Como todos sabemos, este aceite reutilizado con el tiempo puede verse afectado por la pérdida de aditivos, la oxidación del aceite base y el aumento de las concentraciones de contaminantes.

En contraste, cuando están bien diseñados y en la aplicación correcta, la niebla de aceite y otros sistemas de pérdida total pueden proporcionar un suministro continuo de aceite nuevo fresco, limpio y seco. El consumo de energía también está influenciado por el tamaño y tipo de accesorios, líneas de aceite y filtros.

Control de desgaste versus ahorro de energía

Se pueden crear conflictos cuando la selección de lubricantes y las prácticas de lubricación enfatizan solo el control del desgaste. En referencia a las propiedades de los fluidos enumeradas anteriormente que influyen en el consumo de energía, muchas se relacionan con las pérdidas por arrastre por el constante empuje y arrastre del lubricante en la máquina. Esta fricción fluida ocurre dentro de las zonas de desgaste de una máquina, pero también afuera, como líneas de suministro de fluidos, cavidades de grasa, conductos de aceite y filtros.

Hay muchos escenarios de selección de lubricantes en los que el desgaste se reduce a expensas de un mayor consumo de energía. Esto puede ocurrir cuando la viscosidad seleccionada es demasiado alta. En el otro extremo, una viscosidad extremadamente baja puede llevar las superficies periódicamente a condiciones límite (rozamiento mecánico) y aumentar considerablemente la sensibilidad a la contaminación por partículas.

Cuanto más delgada es la película de aceite, mayor es el riesgo de desgaste abrasivo por partículas del tamaño de los sedimentos (submicrón) que incrementan en muchos lubricantes y fluidos hidráulicos mal filtrados. Siempre hay una población desproporcionadamente más alta de partículas pequeñas en los lubricantes que partículas grandes.

Cómo resolver el dilema

Los proveedores de lubricantes están enfatizando cada vez más la importancia de la conservación de la energía al seleccionar lubricantes. Los usuarios de lubricantes también están viendo mayores presiones corporativas para mantener los costos bajos y mejorar las ganancias. Para muchos, esta tentación los ha llevado a incursionar en la lubricación que ahorra energía. Sin embargo, con el cambio viene el riesgo.

Afortunadamente, puede haber formas de reducir este riesgo. Comience con máquinas donde la oportunidad de reducir el consumo de energía es mayor. Considere cambios progresivos en la viscosidad e IV para aquellos lubricantes que no tienen aditivos AW y EP que mejoran la resistencia de la película.

Típicamente, la viscosidad se reduce y el IV aumenta en esta estrategia; sin embargo, en algunos casos, las mejoras están en la dirección del aumento de la viscosidad. Tome pequeños pasos, por ejemplo, en incrementos paulatinos de medio grado en los grados de viscosidad ISO (esto se logra mediante la mezcla en sitio).

Los aceites base sintéticos, o aceites minerales parafínicos con mejoradores de IV, pueden proporcionar el IV mejorado. Para aceites de engranajes, lubricantes para compresores, fluidos hidráulicos y otros lubricantes con aditivos AW o EP, se puede prescribir una combinación de viscosidad, IV y cambios en la tecnología de aditivos.

La reducción de la viscosidad puede necesitar mejorar la filtración; por ejemplo, de 12 micrones a 6 o 3 micrones. Esto contrarrestará la mayor sensibilidad de la máquina a partículas más pequeñas, ya que las películas de aceite se contraen ligeramente en respuesta a una viscosidad más baja. Con una viscosidad reducida, la filtración más fina es a menudo más fácil de lograr con menos impacto en la caída de presión.

Además, diseñe un plan de monitoreo para evaluar las consecuencias positivas y negativas de los cambios en la selección y las prácticas de lubricación. Una vez que estas condiciones de operación han sido definidas, representando las condiciones antes del cambio, monitoree estas mismas condiciones después del cambio de lubricante/lubricación.

Para equipos estacionarios, considere monitorear la temperatura del metal del rodamiento, las emisiones térmicas (termografía), la temperatura del aceite, las emisiones acústicas, la vibración, la corriente del motor y la tasa de producción de partículas metálicas de desgaste. Si el amperaje del motor eléctrico disminuye junto con el metal del rodamiento y la temperatura del lubricante, es probable que se haya logrado una mejora en el consumo de energía sin una compensación negativa. Esto debe confirmarse observando cualquier cambio en la tasa de producción de metales de desgaste.

El premio

El valor obtenido al optimizar la lubricación para lograr el control del desgaste y la economía de energía puede traducirse en grandes ahorros para muchas organizaciones, lo que puede convertirse en un premio sustancial para todo el equipo. Sin embargo, retrocediendo y mirando el panorama general, nuestro planeta tierra y las generaciones futuras que lo habitarán, ¿hay algo más importante que proteger nuestro medio ambiente? ¡Seamos administradores ecológicos y busquemos el gran premio!

Lubricación y consumo de energía: ¿se necesitan pruebas independientes?

La conservación de energía es un concepto relativamente nuevo en la cultura e industria mundial. No fue sino hasta la crisis petrolera de la década de 1970 que el público y las instituciones gubernamentales y empresariales reconocieron seriamente la disponibilidad limitada de recursos energéticos no renovables.

La mayoría de las instalaciones industriales en los Estados Unidos fueron diseñadas y construidas mucho antes de esa realidad y, por lo tanto, no están necesariamente diseñadas teniendo en cuenta la eficiencia energética. Las iniciativas para aumentar las ganancias operativas frente a la disminución de los márgenes mediante la reducción de los costos operativos, como el mantenimiento y el consumo de energía, han intentado mitigar las deficiencias de diseño originales a través de soluciones de ingeniería intensivas.

¿Por qué es esto importante? Los precios de la energía continúan aumentando. Incluso una refinería de petróleo relativamente pequeña, por ejemplo, puede gastar US $ 30 millones o más anualmente en energía, la gran mayoría de la cual es necesaria para alimentar maquinaria. ¡En muchos casos, la cantidad gastada en energía excede el costo de la mano de obra!

Por ejemplo, una instalación de compresor centrífugo grande que funciona con un motor de 6,000 HP cuesta hasta US $ 200,000 anualmente. Toda esta maquinaria está lubricada para reducir el desgaste y la fricción. Sin embargo, aunque el desgaste se controla y minimiza en nombre de la confiabilidad y la productividad, el manejo de la fricción (superficie y fluido interno) con el propósito de conservar la energía no ha recibido tanta atención, hasta hace poco.

Los materiales de comercialización de proveedores de lubricantes a menudo se refieren directa o indirectamente a las reducciones de consumo de energía que se pueden lograr mediante la aplicación de lubricantes. ¿Cuánta de esta información se basa en la ciencia real y cuánto se basa en testimonios débilmente respaldados e hipótesis no comprobadas?

¿Qué tan transferibles son los resultados de una situación de prueba a otra? ¿Con qué estándares se realizan tales pruebas? ¿Son apropiadas las metodologías y los resultados estadísticamente significativos? ¿Cuáles son las variables relevantes? ¿Cómo se verá afectado el desgaste? ¿Qué ganancias de eficiencia se pueden lograr en instalaciones reales? ¿Qué productos ofrecen mejor estos beneficios?

Todas estas son preguntas válidas que no han sido respondidas a mi entera satisfacción. Es difícil saber qué creer, especialmente cuando el consumidor está inundado de proclamas contradictorias de diversas fuentes, aparentemente creíbles y plausibles.

A pesar de la ausencia de una verificación empírica resuelta, hay rendimientos sustanciales en una inversión mínima disponible para el profesional que equilibra efectivamente las prioridades de eficiencia y confiabilidad. Una reducción muy modesta del uno por ciento en un presupuesto de energía de US $ 30 millones se traduce en un ahorro de US $ 300,000 en costos que contribuyen directamente al resultado final.

¡Esto excede los presupuestos totales de mantenimiento de muchas instalaciones! Si se logra a través de una especificación de lubricante optimizada, este beneficio podría lograrse sin una inversión apreciable de capital, una prioridad para la mayoría de los gerentes.