Inflado de neumáticos con nitrógeno
La sustitución de la parte de oxígeno que contiene el aire por nitrógeno en el inflado de los neumáticos marca una nueva tendencia, que persigue el ahorro de combustible y el aumento de la seguridad durante la conducción. Esta técnica, empleada desde hace dé-cadas en la industria aero-espacial y militar, así como en vehículos de carreras, está en la actualidad al al-cance de cualquier usuario. Consiste en inflar los neu-máticos con una propor-ción de nitrógeno cercana al 100%, suprimiendo así las desventajas que ocasio-na la presencia de oxígeno.
©CESVIMAP - Todos los derechos reservados El efecto dañino del oxígeno en los neumáticos inflados con aire com-primido era ya bien conocido en la década de los 60; tanto la oxida-ción de las lonas como la porosi-dad natural del caucho exigían altas propiedades químicas en la fabricación de los neumáticos. La llegada de los neumáticos sin cámara, tubeless, paliaba esta defi-ciencia, propiciando una ventaja en cuanto a mantenimiento de la presión de inflado, pues su talón especial ofrecía una perfecta unión a la llanta. Aún así, defectos en es-ta unión e incluso holguras en la válvula de la rueda seguían ocasio-nando una pérdida de presión. Los fabricantes podían reducir el problema de degradación por oxidación elevando el contenido de antioxidantes en la llanta o di-señando forros internos mejores y más gruesos. Dado que los antide-gradantes eran bastante costosos y los forros a menudo se diseñaban con espesores escasos, la única posibilidad de eliminar estos pro-blemas provenía de limitar el uso del oxígeno en su inflado.
La tecnología parecía que se enfo-caba hacia el uso de gases inertes, libres de impurezas, oxígeno, humedad y vapores de aceite, que permitieran ofrecer un mayor ren-dimiento y un mejor desempeño.
Dado que la composición aproxi-mada del aire es de un 78% de nitrógeno y un 21% de oxígeno, el gas que más posibilidades tenía para su uso resultaba el nitrógeno. Al tratarse éste de un gas seco y no inflamable se evitaría la corrosión, el deterioro de las piezas y el riesgo por explosión. La propiedad de gas inerte, excepto a temperaturas muy elevadas, evitaría que reaccio-nara con el neumático y se reduciría al máximo el riesgo de pérdida de presión por oxidación.
El amplio desarrollo del inflado con nitrógeno en industrias tan diversas como la aeroespacial, militar, minera e, incluso, en la competición automovilística han impulsado que, en la actualidad, se intente extender tanto a la in-dustria de transportes como al usuario particular por sus claras ventajas.
Para reducir al máximo los factores negativos que aporta la presencia del oxígeno en el aire de inflado se han lanzado al mercado nuevos equipos generadores de nitrógeno para el inflado de neumáticos. Es-tos generadores producen el gas mediante destilación de aire comprimido a través de filtros de membrana capaces de separar las moléculas de oxígeno y las de nitrógeno. La presión del aire de entrada suele oscilar entre los 8 y 12 bares y la pureza obtenida a la salida del generador es superior al 95%. Para el proceso de destilación los equipos utilizan filtros desacei-tadores, para las partículas sólidas y de aceite, filtros de carbono acti-vo, para eliminar la presencia de vapor en el nitrógeno, y membra-nas permeables, que elevan el nivel de pureza del nitrógeno.
En definitiva, los problemas prin-cipales que surgen al usar aire comprimido para el inflado de neu-máticos se pueden reducir a dos: • Debidos a la porosidad natural del caucho
• Debidos a la oxidación de las lonas del neumático
Ambos problemas van ligados entre sí, pues el oxígeno reacciona en el interior de la rueda, oxidando el material impermeabilizante del neumático y haciendo de éste un material poroso. Analicemos estos dos problemas y veamos cómo el uso del nitrógeno puede resolver-los o limitarresolver-los.
Neumático
Detalle del equipo generador de nitrógeno y de su calderín Inflado de neumáticos con nitrógeno
Según diferentes métodos experi-mentales (viscosidad del gas, índice de refracción, densidad en estado sólido) y cálculos potenciales (radios de Van der Waals, Leonard-Jones), la molécula de oxígeno es más pequeña que la del nitrógeno, a pesar de que el peso molecular del O2 (32) sea mayor que el del N2 (28), que podría sugerir que la molécula es más grande.
Dado que la molécula de oxígeno es menor, diferentes estudios para determinar su permeabilidad frente a varios elastómeros deducen que los coeficientes de permeabilidad medidos para el oxígeno son ma-yores que los valores para el nitró-geno, especialmente en el caso de neumáticos tubeless. El valor del cociente entre ambos coeficientes se encuentra entre 3 y 4, depen-diendo del caucho en cuestión. Esto significa que el oxígeno pene-tra entre 3 y 4 veces más rápido a través del caucho que el nitrógeno, en igualdad de condiciones.
Si consideramos dos neumáticos idénticos en igualdad de condicio-nes, inflados a 3 bares y medidos en condiciones normales (25ºC, 1bar), utilizando nitrógeno al 99% y aire comprimido respectivamen-te, podemos calcular el flujo de gas a través de la cubierta por uni-dad de tiempo y área superficial. Dado que la permeabilidad del oxígeno es 3 veces mayor, tene-mos que, observando el neumático inflado con nitrógeno, el flujo de gas a través de la cubierta vendrá determinado por el nitrógeno que escapa a la atmósfera menos el oxígeno que penetra en la cubierta desde el exterior. En el caso del neumático inflado con aire compri-mido, tenemos que el flujo se pro-duce en igual sentido, escapando tanto nitrógeno de la cubierta co-mo oxígeno, por su mayor presión respecto a la atmosférica. Por tanto, según los resultados, es evidente que una rueda inflada con aire se desinfla en torno a 2 veces más rápido que una inflada con nitró-geno. Según esto, surgen varias preguntas:
¿Por qué el nitrógeno no se expande y contrae tanto como el aire?
En ausencia de humedad, las di-ferencias entre ambos gases son inapreciables; en cambio, puesto que el agua está normalmente presente en el caso de los com-presores de aire convencionales, la diferencia existe. Por tanto, a bajas temperaturas, como líquido, el agua ocupa poco volumen. Sin embargo, cuando la temperatura aumenta, el agua se vaporiza hasta alcanzar un estado gaseoso y su volumen se incrementa, causando que la presión aumente en el neumático más que en el caso de que el gas estuviera seco. Así, la presencia de agua en el aire de los neumáticos contribuye a que
la presión varíe por los cambios de temperatura.
De esto se deducen los beneficios que surgen al usar un compresor de nitrógeno frente a uno conven-cional de aire:
• El oxígeno y la humedad son extraídos casi completamente del aire por la membrana del compresor • Cualquier neumático inflado a la presión correcta mantendrá ésta largo tiempo si el componente con mayor permeabilidad, como es el oxígeno, no esta presente.
¿Los neumáticos se calientan menos?
Sobre la temperatura de los neu-máticos actúan muchos factores, como pueden ser:
• Una correcta presión de inflado • La resistencia a la rodadura • El estado del asfalto por el que circulan
• La velocidad
• La temperatura ambiente exte-rior
• La carga del vehículo
Calentar un gas en un volumen constante incrementa su presión y enfriarlo la disminuye (según la ley de los gases ideales). Para presio-nes y temperaturas en las mismas condiciones, aire, oxígeno o nitró-geno se comportan similarmente. Por tanto, no hay diferencias signi-ficativas en cuanto a los cambios de presión, comparando aire y nitrógeno, por lo que se refiere a la temperatura del gas (esto es, mientras el gas esté seco). El agua, en cambio, puede estar en estado líquido o en vapor y los cambios se pueden dar en un amplio rango de temperaturas. La presión del vapor de agua es muy sensible a la temperatura, variando parabólica-mente. Si está en estado líquido en la rueda a 15.5ºC, que es lo que
Porosidad natural del caucho
Los neumáticos inflados con nitrógeno se identifican mediante tapones verdes
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Dibujo de un neumático
ocurre con los compresores con-vencionales de aire, contribuirá a una pequeña cantidad adicional de presión a mayores temperaturas. Si el aire seco o el nitrógeno seco se usan para inflar el neumático, entonces el efecto de la presión del agua se elimina, pues los cambios de temperatura son más predeci-bles por su expansión lineal. En conclusión, el aumento de temperatura del neumático será mayor si la presión apropiada de inflado no se mantiene. En un cierto plazo, una rueda inflada con aire, perderá su presión debido a la
permeabilidad del oxígeno. Esto contribuirá a que el neumático circule sin la presión adecuada y a hacer frecuentes chequeos de la presión. La baja presión fati-gará el neumático y aparecerán esfuerzos mecánicos en la rueda, que contribuirán a un aumento en la resistencia a la rodadura y, por tanto, a un mayor calentamiento por fricción.
¿Los neumáticos aguantan más?
La duración de los neumáticos también se ve influenciada por muchas circunstancias:
• Una presión correcta de inflado • Las propiedades mecánicas del caucho son más estables si el oxí-geno no está presente
Con la edad, los componentes de la llanta se secan, ocasionando una falta de adhesión entre ellos. Los antioxidantes usados en el caucho son sustancias que retardan el de-terioro del neumático, causado por la oxidación ante la presencia de oxígeno. Los cambios en las propie-dades físicas del caucho durante su deterioro se atribuyen a varias reacciones, principalmente a la formación de enlaces cruzados y la escisión del polímero. Por tanto, el oxígeno ataca al caucho vulcaniza-do, deteriorándolo. La degradación oxidativa interna ocasionada por la penetración de aire ocurre con el tiempo, sin importar si se usa la llanta o no. Estudios actuales su-gieren que las llantas en uso no envejecen más que las almacena-das como repuesto en el mismo vehículo. En otras palabras, la
degradación por la edad ocurre independientemente de la fatiga mecánica que sufra la llanta. Se estima que la pérdida de presión de aire por la porosidad del caucho, en un neumático de un turismo convencional, oscila en torno a 2 psi por mes –aproximadamente, 0,14 bares por mes–. Esta disminu-ción de presión puede suponer un aumento en el consumo de combustible de un 1,5% y una reducción de la vida útil del neumático del 8%. Además se alte-ra el comportamiento del vehículo, se alargan los tiempos de frenada y la temperatura en el neumático aumenta y, con ella, el rozamiento. Este aumento de temperatura también acelerará el proceso de oxidación.
Por tanto, la oxidación que afecta al neumático depende de tres
factores: de la temperatura, de la concentración de oxígeno en el gas de inflado y del tiempo. De estos tres factores, los únicos que podemos modificar son la tempe-ratura y la concentración de oxíge-no. Reducir el calor generado en el neumático es extremadamente difícil y requiere cambios en la composición química de los mate-riales, por lo cual, es más simple cambiar la concentración de oxí-geno en el interior de la rueda, usando otros gases para su inflado. Cuando el nitrógeno se utiliza como elemento de inflado, los cambios en las características del caucho se retrasan o incluso se hacen imper-ceptibles. Así, la oxidación del caucho tan sólo se producirá por fuera del neumático, pero el grado de degradación es significativa-mente menor que cuando se llena con aire comprimido.
Efecto de la oxidación en las lonas del neumático
A continuación, se exponen las principales características del nitró-geno, comparadas con el aire com-primido, y las ventajas específicas para el inflado del neumático, así como ciertas consideraciones:
• El inflado con nitrógeno está libre de oxígeno; la ausencia de oxígeno en el neumático reduce la velocidad a la que éste envejece. • El nitrógeno comprimido está libre de humedad; el gas obtenido
con los compresores actuales está completamente seco y libre de CO2. Esto elimina o minimiza la corrosión de los mallazos del neumático por efecto del vapor de agua que se encontraba en el aire comprimido.
Beneficios
drásticamente (y sí linealmente) durante el aumento de temperatu-ra que sufren los neumáticos en la conducción.
• Reduce al mínimo el riesgo de explosión del neumático: al contra-rio que el aire, el nitrógeno no tiene riesgo de explosión o incendio al ser inerte e inflamable.
• Medio-ambiente: El nitrógeno no tiene efectos contaminantes; el aire que respiramos es 78% nitró-geno. Además, no contiene aceite que sí están presentes en los compresores de aire.
• Montaje y desmontaje del neu-mático: El uso de este gas no afecta a la manipulación de los neumáti-cos. Sólo se desaconseja su uso en pequeñas áreas cerradas, pues podría reducir la concentración normal de oxígeno.
• Aumenta la vida útil de los neu-máticos: se han realizado pruebas en las que se ha llegado a rodar un 25% de kilómetros más frente a los inflados con aire.
• Reduce el consumo de combus-tible, pues mantiene la presión correcta para circular.
• Mejora la suspensión del vehículo y adherencia, y con ello la calidad de la conducción.
• El nitrógeno aumenta la vida del material con el que está en contac-to, comparado con el aire compri-mido, por la ausencia del oxígeno, CO2, suciedad y otras impurezas. • Respecto al caucho, el nitrógeno es menos permeable que el oxígeno. • La temperatura de trabajo de la rueda no se ve apenas afectada con el uso de nitrógeno como con el oxígeno. La sequedad intrínseca del nitrógeno, comparada con el aire comprimido, hace que la presión del neumático no cambie
• Puede ser usado en cualquier tipo de neumático, con o sin cámara. • Si fuera necesario, se puede mez-clar con aire. Si se llena un neumá-tico con aire después de que se ha-ya inflado con nitrógeno no creará ningún problema. Los efectos del nitrógeno se habrán perdido, pero el neumático será apto para con-ducir hasta que el neumático se pueda purgar y rellenar con nitró-geno otra vez.
• Especialmente recomendado en las siguientes aplicaciones:
- Atmósferas explosivas
- Uso en proximidades de materia-les incandescentes (fundiciones, acerías,etc)
- Uso en condiciones de peligro eléctrico (trabajos cercanos a líneas de alta tensión)
- Uso en condiciones de sobre-calentamiento excesivo del neu-mático, tanto por uso intensivo (competiciones automovilísticas) como por la alta transmisión de calor desde los frenos o el motor. - Aeronáutica, debido a los fuertes cambios de estado del gas. Ade-más, la humedad a ciertas alturas es especialmente desaconsejable. - Industria del transporte.
Equipo de Inflado mediante nitrógeno
Como puede apreciarse, el uso de nitrógeno en el inflado del neumá-tico alargará su vida útil y dilatará los intervalos de inspección por
pérdida de presión debida a la oxidación. Sin embargo, las pérdi-das también pueden producirse por deterioros en la válvula, la llanta
o el neumático y, por lo tanto, será necesario seguir manteniendo los intervalos de inspección aplicables a neumáticos inflados con aire.
Conclusiones
• Accesibilidad a los sistemas de inflado por nitrógeno.
• Coste económico de los equipos. • Escasa información y desconoci-miento por parte del usuario.
