Humedad presente en el aceite expresada como actividad hídrica (aw)
Cada fluido tiene la capacidad de retener una cierta cantidad de agua disuelta. La cantidad máxima de agua que un fluido determinado puede contener en solución se denomina punto de saturación. Una vez que el fluido ha alcanzado su punto de saturación, cualquier agua adicional introducida se separará como agua libre formando una capa distinta. Dado que la mayoría de los aceites son menos densos que el agua, la capa de agua generalmente se asentará debajo del aceite.
El punto de saturación de un aceite es función de muchos factores diferentes, como la composición de su aceite base (mineral o sintético) y el tipo de aditivos presentes. Aparte de estas diferencias de composición inicial, el punto de saturación de un aceite variará a lo largo de su vida útil como fluido de trabajo. Dos factores principales que influyen en el punto de saturación de un aceite a medida que envejece son las fluctuaciones de temperatura y los cambios en la composición química debido a la formación de nuevas sustancias producidas como subproductos de las reacciones químicas que tienen lugar dentro de un sistema de aceite dinámico.
La unidad de medida tradicional para cuantificar el contenido de agua en el aceite ha sido ppm (partes por millón). ¿Cuál es el significado de una medida de ppm? Por definición, ppm es un parámetro de humedad absoluta que describe la relación entre el volumen o la masa de agua y aceite:
Por volumen: 1 ppm(v)agua = 1 ml de agua / 1 m3 de aceite
o
En masa: 1 ppm(v)agua = 1 g de agua / 1000 kg de aceite
Al medir activamente los niveles de ppm de agua en el aceite, se puede determinar la cantidad absoluta de agua. Sin embargo, una medición de ppm tiene una limitación importante: no tiene en cuenta ninguna variación en el punto de saturación de un aceite. En otras palabras, en un sistema de aceite dinámico con un punto de saturación fluctuante, una medición de ppm no proporcionaría ninguna indicación de qué tan cerca está el nivel de humedad del punto de saturación del aceite. Esto se vuelve aún más crítico cuando el contenido de agua se acerca al punto de saturación del aceite, lo que crea un riesgo de exceder el punto de saturación y formar agua libre, un contaminante destructivo para casi todas las aplicaciones de aceite.
Para ilustrar este concepto, considere el siguiente aceite que sufre una reducción de temperatura de 40 °C:
| Figura: Aceite lubricante de caja de engranajes Temperatura: 70 °C Punto de saturación: 5000 ppm Cantidad real de agua en el aceite: 2000 ppm aw: ~0,40 |
La ilustración muestra que el punto de saturación del aceite a 70°C es 5000 ppm. La cantidad de agua en este aceite es de 2000 ppm. Esto significa que el aceite puede retener otras 3000 ppm más de agua antes de que se sature. A esto a veces se lo denomina como el "margen" hasta el punto de saturación.
Cuando la temperatura de este aceite desciende a 30°C, el punto de saturación del aceite también desciende a 3000 ppm. Tenga en cuenta que la cantidad de agua en el aceite no ha cambiado (sigue siendo 2000 ppm). Sin embargo, el margen hasta el punto de saturación se ha reducido a 1000 ppm.
En este escenario, si un operador solo midiera ppm, no vería ningún cambio en la cantidad de agua presente (2000 ppm) aunque el margen se haya reducido drásticamente y el punto de saturación se haya acercado mucho más al contenido de agua, creando un mayor riesgo de formación de agua libre.
| Figura: Aceite lubricante de caja de engranajes Temperatura: 30 °C Punto de saturación: 3000 ppm Cantidad real de agua en el aceite: 2000 ppm aw: ~0,67 |
¿Qué pasaría si después de un año, debido al envejecimiento del aceite, el punto de saturación se redujera aún más a 1500 ppm? En este escenario ya no hay margen de saturación ya que el contenido de agua ahora es mayor que el punto de saturación.
Como antes, un operador continuaría leyendo un contenido de humedad de 2000 ppm a pesar del hecho de que el punto de saturación ahora se ha reducido a 1500 ppm, lo que resulta en una formación de 500 ppm de agua libre.
Al medir la actividad del agua en lugar de ppm, se pueden evitar los problemas mencionados anteriormente.
| Figura: Punto de saturación anterior Agua libre Nuevo punto de saturación |
¿Qué es la actividad hídrica (aw)?
La actividad hídrica es la cantidad de agua en una sustancia en relación con la cantidad total de agua que puede contener. Se define de la siguiente manera:
aw = p/p0
donde
p = la presión parcial del agua en una sustancia por encima del material
p0= la presión de vapor saturado del agua pura a la misma temperatura
En el ejemplo anterior, aw cambia en función del punto de saturación (p / p0, el denominador). aw también cambiará en función del contenido real de agua en el petróleo, es decir, el agua que entra o sale del petróleo. En otras palabras, aw siempre proporcionará una indicación verdadera del margen hasta el punto de saturación.
Si bien es posible derivar una correlación entre aw y ppm para cualquier aceite, la validez de esta relación durante su vida útil en un sistema de aceite dinámico, por ejemplo en aceite lubricante, disminuirá. Como se analizó anteriormente, con el tiempo, un fluido sufre cambios en su composición debido a reacciones químicas que tienen lugar y que no sólo afectan su punto de saturación sino también su relación con aw.
Este gráfico (abajo), generado a partir de datos de pruebas de aceite de motor marino, compara la diferencia entre aceite nuevo y usado. Debido a la migración continua en la relación entre aw y ppm debido al envejecimiento, es difícil mantener una correlación válida durante la vida útil de un aceite.
Si bien existen muchos métodos diferentes para medir la humedad del aceite disponibles en el mercado actual, la última tecnología de medición de la actividad del agua en línea utiliza un sensor de tipo capacitivo que funciona según un principio de absorción.
El sensor es un condensador que consta de un electrodo superior y uno inferior con un material aislante entre ellos, conocido como dieléctrico. El dieléctrico absorbe y desorbe moléculas de agua, cambiando la constante dieléctrica y, por lo tanto, la capacitancia del sensor. La absorción de agua es proporcional a la actividad acuosa del fluido. Los beneficios asociados con este tipo de tecnología son la capacidad de instalación directa en línea, un tiempo de respuesta muy rápido y una buena durabilidad química adecuada para una amplia gama de fluidos.
Los buenos candidatos para esta tecnología en línea incluyen aplicaciones que involucran grandes sistemas hidráulicos o de aceite, como lubricación de máquinas de papel, operación de turbinas y transformadores, y fabricantes de sistemas de recuperación de aceite. Dado que hoy en día muchas instalaciones de fabricación emplean algún tipo de programa de mantenimiento predictivo diseñado para evitar el tiempo de inactividad de las máquinas y prolongar la vida útil del equipo, una medición de humedad continua en línea se convierte en una parte integral de este plan de gestión de fluidos.
En conclusión, si bien la unidad de medida tradicional para expresar el contenido de humedad en fluidos ha sido ppm, medir aw puede ofrecer una imagen más completa del estado de un fluido:
- Independientemente del punto de saturación del fluido, la lectura de aw siempre proporcionará una verdadera indicación del riesgo de formación de agua libre.
- A medida que el punto de saturación aumenta o disminuye por cualquier razón (por ejemplo, temperatura, edad, cambio en las propiedades físicas), aw refleja con precisión el nuevo margen de saturación.
- aw es independiente del fluido que se está midiendo. Dado que aw aplica a todos los fluidos y sólidos, se puede utilizar universalmente para todas las sustancias, más allá de cuál sea la composición química o las características físicas.