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Tema 11. Compresores
11.2. Descripción y principio de funcionamiento
Los compresores de desplazamiento positivo realizan una verdadera compresión mecánica, produciendo una reducción volumétrica por el desplazamiento alternativo, rotativo o helicoidal de un elemento compresor móvil en el interior de un espacio cerrado fijo.
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En los compresores alternativos, el elemento compresor, émbolo o pistón se mueve alternativamente, accionando por un sistema biela-manivela, dentro de un cilindro que contiene los vapores de refrigerante.
11.2.1. Compresores alternativos ordinarios
Para realizar la compresión se ha de desplazar un elemento compresor con movimiento alternativo, rotativo o helicoidal, dando lugar esta forma de movimiento a los distintos tipos de compresores. El tipo más utilizado es el compresor alternativo donde el émbolo es accionado por un sistema biela-manivela. Dentro de estos compresores alternativos hay varios grupos.
a). Según el número de caras activas del émbolo:
- De simple efecto, donde una sola cara del émbolo es activa.
- De doble efecto, con dos caras activas del émbolo, con dos compresiones por vuelta.
b). Según la dirección de movimiento del émbolo:
- Compresores horizontales.
- Compresores verticales.
- Dos cilindros en V (o múltiplos de 2) - Tres cilindros en W (o múltiplos de 3) - Compresores radiales.
c). Según el movimiento del fluido en el cilindro, en su expulsión:
- Compresores de tipo continuo, donde el vapor de admisión tiene el mismo sentido, que el fluido comprimido.
- Compresores de flujo interno, en el que los sentidos son opuestos en las dos caras.
d). Según la estanqueidad:
- Compresores de cárter abierto, en los que el sistema de biela-manivela no esta aislado del exterior.
- Compresores de cárter cerrado, en los que el sistema de biela-manivela esta aislado del exterior.
e). Según los saltos de compresión:
- De compresión simple, cuando solo realizan un escalonamiento.
- De compresión múltiple, cuando realizan más de un escalonamiento.
f). Según su ambiente de aplicación:
- Domésticos de menos de 500 [kcal·h–1] de capacidad frigorífica.
- Comerciales entre 500 y 15000 [kcal·h–1] - Industriales de más de 15000 [kcal·h–1].
Como es lógico, muchas de estas características se solapan en un compresor, por ejemplo encontramos un compresor de simple efecto, vertical o radial y de cárter cerrado.
Figura 93. Funcionamiento de un compresor alternativo.
En el movimiento de un compresor alternativo se produce el descenso del pistón y la subida de éste.
a) Descenso del pistón.
Cuando el pistón acaba de descargar el gas en la cámara de descarga se encuentra en el punto más alto de su carrera. En este punto la cabeza del pistón se encuentra a una distancia denominada espacio perjudicial o espacio muerto, e, del fondo del cilindro (Figura 93). En este espacio se encuentra confinado el fluido frigorígeno en estado gaseoso a la presión de descarga. Al descender el pistón, ambas válvulas se encuentran cerradas por lo que el gas progresivamente va ocupando un volumen mayor y la presión va descendiendo.
Cuando la presión en la parte superior del cilindro disminuye por debajo del valor existente en la cámara de aspiración se produce la apertura de la válvula de aspiración, entrando entonces el gas en el cilindro, que ha recorrido un espacio Lb. Este otro espacio también es ineficaz.
Según la ley de Boyle-Mariotte se cumple la igualdad:
Pd·Vd=Pa·Va (275)
siendo,
Vd=e·π·D2/4 y Va=(e+Lb)·π·D2/4 (276) donde,
La L Lb
e
Cámara de descarga Cámara de
aspiración
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Pd Presión absoluta de descarga [Pa]
Vd Volumen de descarga [m3]
Pa Presión absoluta de aspiración [Pa]
Va Volumen de aspiración [m3] D Diámetro del cilindro [m].
A partir de las igualdades (275) y (276) se puede calcular el valor de la parte ineficaz de la carrera de aspiración:
⎟⎟⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ −
=
a a d a
,
b P
P
· P e
L (277)
donde,
Lb,a Carrera del pistón hasta que se produce la apertura de la válvula de aspiración [m]
e espacio perjudicial [m].
a) Ascenso del pistón.
En el punto inferior el cilindro se encuentra completamente lleno de gas a la presión de aspiración. Al comienzo del ascenso la válvula de aspiración se cierra de forma que el pistón comprime el gas hasta que su presión llega a ser ligeramente superior a la presión de la cámara de descarga, cuando se produce la apertura de la válvula de descarga, pasando los gases a la cámara de descarga y de ésta al condensador.
Debido a la inercia de las válvulas y a la presión ejercida por los muelles que mantienen cerradas las válvulas hay un pequeño tiempo de retardo en la apertura que se supone igual para la válvula de aspiración y descarga.
En este caso la carrera recorrida por el pistón con la válvula de descarga abierta será:
d a d
d a d
,
b P
·P P L
P
· P e
L ⎟⎟+
⎠
⎜⎜ ⎞
⎝
⎛ −
= (278)
donde,
L Carrera del pistón [m]
La parte de la carrera del pistón antes de que se abra la válvula de descarga será:
La,d=L – Lb,d (279) 11.2.3. Compresores rotativos
En los compresores rotativos el rotor recibe directamente el movimiento del árbol de transmisión del motor. El elemento compresor, que puede ser un émbolo o paletas, realiza la reducción volumétrica comprimiendo los vapores de refrigerante en el espacio comprendido entre el cilindro estator y el elemento mecánico que lo complete, según el tipo de compresor.
Estos compresores presentan un movimiento continuo, lo que permite hacerlos girar a velocidades mayores que los alternativos.
Figura 94. Compresor rotativo del tipo de paletas.
Estos compresores se fabrican en todas las potencias y pueden conseguir un vacío muy grande dado que su espacio perjudicial es prácticamente despreciable.
Figura 95. Compresor rotativo helicoidal (Marca BITZER Modelo ESH743B).
Al condensador
Paleta del rotor
Ranura del rotor
Cilindro
Rotor Válvula de control
Puerto de descarga
Puerto de succión
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11.2.4. Compresores de tornillo
Se denomina también compresor rotatorio helicoidal, de desplazamiento positivo, la compresión se obtiene por el engranamiento de rotores ranurados helicoidalmente (Fig.
93b) y colocados dentro de una cubierta cilíndrica equipados con bocas de aspiración y descarga.
a)
b)
Figura 96. Compresor de tornillo (a) y detalle de los rotores ranurados (b) (Marca BITZER Modelo sp-171-1).
Los sistemas de lubricación son bastantes elaborados. Por las relativamente grandes cantidades de aceite que son inyectadas al compresor, se tiene salida del mismo en la corriente del gas a través de la descarga, por lo que es muy necesario instalar un separador de aceite que trabaje con eficacia.
Figura 97. Flujo de calor en un compresor de tornillo.
Q0
Compresor
Motor
eléctrico
Enfriador de aceite
Separador de aceite
Condensador
QN
QE
QE+QN–Q0
QC
Q0
Este aceite debe ser enfriado antes de volverlo a inyectar al compresor para que realice adecuadamente su función. El flujo de calor entre el compresor de tornillo, el enfriador de aceite y el condensador se muestra en la figura 95.
En este tipo de compresores se cumple que:
QC=QE+QN–Q0 (280)
donde,
QC Calor eleiminado en el condensador [kcal·h–1] QE Capacidad frigorifica del evaporador [kcal·h–1]
QN Potencia suministrada por el motor electrico [kcal·h–1] Q0 Calor de enfriamiento del aceite [kcal·h–1]
Este tipo de compresores se utilizan en capacidades superiores a 150000 kcal·h–1.
11.2.3. Compresores centrífugos
Consisten esencialmente en una o varias ruedas impulsoras montadas en un eje de acero contenidas dentro de una carcasa de hierro vaciado. Los principios de operación de los compresores centrífugos son similares a los de los ventiladores o bombas centrífugas.
Figura 98. Esquema de un compresor centrífugo.
Los compresores centrífugos se fabrican desde 100000 a 30×106 kcal·h–1. La eficiencia volumétrica de estos compresores es del 70-80%. El control de capacidad de refrigeración en los compresores centrífugos por lo general se hace variando la velocidad del compresor.
Salida del refrigerante
Rodete
Entrada del refrigerante
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Desde el punto de vista de rentabilidad, los compresores centrífugos superan casi siempre a los compresores de pistón por encima de las 500000 kcal·h–1.
Sus ventajas son coste más bajo, ausencia de vibraciones debido al riguroso equilibrado de las piezas rotativas y mantenimiento reducido. Otras ventajas más destacables son: facilidad en la variación de la potencia frigorífica, el fluido frigorígeno se halla en estado perfectamente puro, toda presencia de aceite o refrigerante liquido provocaría una rápida una rápida erosión de las alabes.
Las temperaturas de evaporación con estos compresores varían entre +10ºC (en acondicionamiento de aire) y –160ºC (en licuefacción del metano).