Compresores de Tornillo. Parte 1 

ANTECEDENTES

En 1878 Heinreich Krigar of Germany desarrollo el primer compresor de tornillo, pero no es hasta 1930 que Alf Lisholm introdujo el peril de los modernos compresores helicoidales.

Los compresores helicoidales utilizados en técnicas frigoríficas pueden ser de dos tipos:

a) De dos rotores, (Lysholm), que comenzaron a utilizarse en los años 30 y están compuestos de dos husillos roscados (rotores), uno motor y otro conducido.

b) De rotor único, (Zimmem), que comenzaron a utilizarse en los años 60 y están compuestos por un rotor o husillo roscado único, que engrana con un par de ruedas satélites dentadas idénticas.

Compresor Lysholm

CLASIFICACIÓN

El compresor de tornillo es un dispositivo de tipo rotativo y desplazamiento positivo. Existen dos variantes:

- De tornillo- Monotonillo con satélites

Compresor Krigar

COMPRESORES DE DOBLE TORNILLO

Está integrado por dos engranajes helicoidales, o tornillos, en contacto que giran en sentido contrario. Uno de ellos, el motriz, posee lóbulos, el otro tornillo (hembra) es desplazado por el primero y presenta en su lateral canales que se corresponden con los pasos del tornillo motriz (macho). El refrigerante procedente del evaporador queda atrapado en los espacios existentes entre los dientes del tornillo hembra, dando vueltas con él y comprimiéndose a medida que avanza hacia la salida, ya que el volumen disponible entre las ranuras que dejan los tornillos va disminuyendo gradualmente.

El rotor macho acoplado al motor eléctrico tiene de 4 a 5 lóbulos, mientras que el rotor hembra suele poseer 6 ó 7 cavidades.

Engrane

Screw compresor dos rotores

Para asegurar el cierre hermético de las cámaras de trabajo y, por lo tanto, la separación de las cavidades de aspiración e impulsión del compresor, la sección transversal de los dientes ha evolucionado desde, un perfil circular, hasta perfiles cicloidales, en orden a mejorar el funcionamiento mecánico y dinámico de los rotores.

El perfil del tornillo conductor es convexo, mientras que el del conducido es cóncavo; el rotor conductor, conectado el eje motor, gira más rápido que el conducido en la relación, 6/4=1,5 ó 6/5=1,2.

El vapor que penetra por la cavidad de aspiración, situada en uno de los extremos del compresor, llena por completo cada una de las cámaras de trabajo helicoidales del rotor conducido.

Durante el giro de los rotores, las cámaras de trabajo limitadas entre los filetes de los rotores y las superficies internas del estator, dejan de estar en comunicación directa con la cavidad de aspiración y se desplazan junto con el vapor a lo largo de los ejes de rotación.

En un momento determinado, cada cámara de trabajo se cierra por uno de sus extremos mediante uno de los cuatro dientes del rotor conductor, quedando así atrapado un volúmen de vapor V1, que queda desconectado de la aspiración a la presión P1(fin de la fase de admisión), comenzando la etapa de compresión; al proseguir la rotación, el volúmen se va reduciendo hasta que se pone en comunicación con la lumbrera de escape, alcanzando un vapor V2, a la presión P2, momento en que se produce el fin de la fase de compresión y comienzo de la de escape.

Cada una de las cámaras de trabajo se comporta como si el cilindro fuese un compresor alternativo, en donde cada diente del rotor conductor hace las veces de pistón, que primero cierra y después comprime el volumen inicialmente atrapado V1, por lo que un compresor helicoidal no es sino un compresor alternativo de seis cilindros helicoidales, en el que se han eliminado el cigüeñal, el espacio muerto y las válvulas de admisión y escape.

Estructura Interna

Fases

Fase de" Aspiración - Transporte"

Cuando giran los rotores, el gas fluye a través de la entrada de aspiración y llena los espacios adyacentes situados entre los lóbulos. Estos espacios aumentan en longitud durante la rotación a medida que el engrane se aproxima al lado de descarga. Cuando el espacio entre los lóbulos se llena con el gas de aspiración, en toda la longitud del rotor, la conexión de aspiración se cierra y termina la fase de aspiración.

Fase de" Compresión"

Al continuar la rotación disminuye el espacio entre los lóbulos, de modo que el gas

encerrado es comprimido y aumenta la presión.

Fase de" Descarga"

Cuando el rotor está en cierta posición, el gas llega a la salida de descarga, iniciándose esta fase, la cual continúa hasta que el espacio entre los lóbulos quede completamente vacío.

 

Variaciones en Presión y Volúmen

Características de Funcionamiento

Pérdidas Energéticas

Para un compresor dado y un refrigerante específico, la relación de presión "PR" es constante, por lo que para cada presión de aspiración se tiene una de descarga, independiente de la reinante en condensador. Por lo que pueden producirse los

siguientes casos:

p2<pk; el vapor se acumula en la descarga hasta contrarrestar el déficit, resultando un incremento en el trabajo de compresión y una caída de eficiencia.</p

p2>pk; el vapor se expande en la tubería de descarga, se ha generado un trabajo mayor necesario, por lo que también resulta un descenso de eficiencia.

Pérdidas Energéticas

Pérdidas Energéticas - representación Gráfica

Screw compresor dos rotores y uno. PRESIÓN FINAL DE COMPRESIÓN (cont.)

La presión p2 de diseño del compresor seleccionado no siempre es posible hacerla coincidir con la presión de condensación impuesta por la instalación frigorífica , por lo que se pueden dar los siguientes casos:

a) Si PC=p2 la compresión se realiza según el ciclo indicado (1-2-b-a-1), cuya superficie representa el trabajo teórico consumido por el compresor.a) Si PC>p2 cuando el volúmen de la cámara de trabajo alcanza el valor V2 se pone en comunicación con la lumbrera de escape, produciéndose un reflujo de vapor desde la cavidad de alta presión hacia la celda de volúmen V2, que de modo casi instantáneo eleva la presión en el interior desde p2 a pcs. La entrada del volúmen (3-4) de vapor que proviene de la parte de alta, finaliza la compresión hasta pcs, objetivo que el compresor por sí solo no habría podido conseguir. Como el árbol motor sigue girando, la cámara llena de vapor a la presión pcs disminuye su volumen en la fase de descarga desde V2 hasta el vapor cero según (3-c). El área (1-2-3-c-a-1) del diagrama indicado representaría el trabajo mecánico de la compresión realizada. En consecuencia, el área (2-4-3-2) representa el trabajo adicional consumido.c) Si pc<="" p="">

Inyección de Lubricantes

Los compresores de tornillo son, en general, lubricados mediante inyección directa de aceita a temperatura controlada.

La cantidad de aceite inyectada es muy elevada, ya que además de lubricar, deben proporcionar estanqueidad (evitar cortocircuitos hacia la lumbrera de admisión), y absorbe calor de compresión.

La inyección de aceite aumenta la potencial relación de compresión. Además de cerrar el espacio entre los rotores, el aceite iguala la temperatura de éstos y reduce con eficacia la temperatura de descarga a un valor seguro, incluso con relaciones de compresión del orden de 18.

El aceite se recupera en un separador de aceite, situado en la canalización de descarga, y es previamente enfriado, antes de su inyección en la cámara de compresión.

Tipos de enfriamiento de lubricante

RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO

No todo el vapor es expulsado por el lado de alta presión, con lo que el que permanece en compresor juega un papel de volumen muerto, reexpandiéndose y limitando la entrada de vapor nuevo en la siguiente aspiración, en resumen, con estos compresores también se hace necesario tener en consideración un rendimiento volumétrico, debido al efecto mencionado y los "cortocircuitos" desde alta presión a baja, limitados la inyección lubricante que actúa de "sello".

Antes de considerar el rendimiento volumétrico, el caudal geometricamente disponible en compresores de doble rotor:

RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO SEGÚN CEREPNALKOVSKY - CONAN

RENDIMIENTO INICIADO IDEAL

Evidentemente, el rendimiento indicado es inferior al ideal mostrado en la figura.

RENDIMIENTOS

INSTALACIÓN DOTADA DE COMPRESORES DE DOBLE TORNILLO

COMPRESORES DE DOBLE TORNILLO REGULACIÓN DE LA CAPACIDAD

La regulación de capacidad se puede realizar de tres modos diferentes:

a) Variando la velocidad de giro del rotor condicido.b) Mediante una laminación a la entrada del compresor, que origina un aumento de la relación de compresión; este efecto, en otros compresores puede elevar peligrosamente la temperatura de escape del vapor, pero no en los helicoidales.c) Mediante corredera; método consistente en una o varias válvulas deslizantes, la función de éstas válvulas es devolver mediante un (bypass) situado en la cavidad de entrada del compresor, una fracción (variable) del volumen total desplazado a plena carga, retardando así el comienzo de la compresión; las válvulas deslizantes puede funcionar desde la presión correspondiente a plena carga, hasta cargas parciales cercanas a cero, en forma manual o automática, mediante un pistón movido hidráulicamente por el aceite del compresor.

Otras características del sistema de regulación

El actuador de la válvula son operadas hidráulicamente. Gracias al resorte incorporado, la válvula deslizante se abre automáticamente al detenerse el compresor, asegurado, que el arranque posterior del mismo se efectuará sin carga alguna.

El sistema de corredera permite la posibilidad de regular en forma continua la capacidad entre 100% y 10% con número constante de r.p.m., lo que tiene importancia con respecto a los costes de energía. El sistema de control no tiene prácticamente pérdidas y, por lo tanto, el consuma de energía disminuye al reducirse la capacidad. Esto significa que los costos de energía son proporcionales a la capacidad frigorífica requerida.

Fuente: http://www.git.uji.es

Por: E. Tórrela

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