Tecnología del Compresor

La evolución de los compresores
Desde que en 1938 se introdujera la primera máquina de refrigeración centrífuga hermética de la industria, esta no ha dejado de evolucionar para tener mejoras.

Material proporcionado por TRANE

Por ejemplo, la Turbovac es precursora de la CenTraVac actual. Esta enfriadora ha representado ser una exitosa unidad de refrigeración, sirviendo como modelo estándar para la industria para grandes sistemas de aire acondicionado comercial.

Sin embargo, es en 1987 cuando se presentó una nueva generación de enfriadoras de agua, la cual contenía la más avanzada tecnología de compresión de gran tonelaje, el compresor de tornillo o de rotor helicoidal. El compresor de tornillo con 5 y 7 combinaciones de rotor de lóbulo dio como resultado las eficiencias más altas en compresores de tornillo dentro de la industria.

Es así como la tecnología del compresor reciprocante posee doble herencia, pero los tamaños comerciales, se comenzaron a fabricar en 1950. En el caso de los compresores residenciales, la herencia se remonta a los años 30 con la aparición del primer compresor hermético. Este proporcionó la base tecnológica para desarrollar el primer compresor para bomba de calor: el Climatuff, el cual se introdujo en 1964. Los diseños de ambos compresores han experimentado varios cambios, siempre manteniendo su destacada reputación dentro de la industria.

Los compresores reciprocantes han sido precursores en varios aspectos: el primer compresor hermético de 30 toneladas, el primer compresor confiable para bomba de calor y el primer compresor exitoso de 3 y 5 toneladas de velocidad variable. Estos son algunos ejemplos en la innovación de los compresores.

•  La tecnología del compresor Scroll es la más reciente área en la que se han efectuado importantes contribuciones. Después de 14 años de investigación y pruebas, se introdujo en 1988 el compresor Scroll 3-D, uno de los primeros compresores en la industria, diseñado específicamente para el mercado comercial de aire acondicionado.

•  En 1998, después de comprobar la tecnología de scroll en el demandante mercado comercial, la compañía Trane introduce el compresor residencial tipo scroll. Este compresor continúa la tradición del compresor reciprocantes, utilizando diseños y filosofías de prueba similares para proporcionar máxima confiabilidad y durabilidad, eficiencia vanguardista dentro de la industria, y niveles bajos de ruido.

Introducción a la Tecnología Reciprocante
El compresor reciprocante fue el primer compresor exitoso en el mundo para bomba de calor. Desde su inicio, su filosofía giró en torno a dos principios fundamentales:

1.  El compresor debe ser capaz de protegerse por sí solo en todos los sistemas, con mínima dependencia de los controles del sistema.
2.  La confiabilidad y durabilidad del compresor deben comprobarse en el laboratorio y no en el lugar de la obra.

Estas dos filosofías se han mejorado continuamente.

El diseño de la válvula es decisivo para la tolerancia al refrigerante líquido.

En días templados, el refrigerante líquido puede acumularse en la línea de succión e inundar el compresor durante el arranque. Por tal motivo, las válvulas deben ser capaces de tolerar cierta acumulación de líquido. El ensamble de válvula este compresor ha sido diseñado para permitir la expulsión de refrigerante líquido del cilindro, sin dañar las válvulas.

Todos los compresores reciprocantes presentan la línea de descarga pasando por el cárter del compresor. Cuando el compresor está funcionando, la línea caliente de descarga vaporiza el refrigerante líquido en el cárter, separándolo del aceite. En el ciclo de apagado, la marca utiliza el calor del cárter en todos los compresores (excepto en unidades de enfriamiento de baja eficiencia, en donde la cantidad de refrigerante es pequeña) para evaporar el refrigerante líquido y mantener la temperatura deseada del aceite.

Estos compresores reciprocantes tienen un promedio de 25% más de volumen dentro de la carcasa que otros compresores. Esto ofrece un margen de seguridad adicional contra la acumulación de líquidos que puede ocasionarse por sobrecarga de refrigerante o por bajo flujo de aire interior. Con este diseño de carcasa grande, los compresores de esta firma eliminan la necesidad de acumuladores de línea de succión en sistemas residenciales.

Funcionamiento del proceso Acousti-Cool
El refrigerante regresa al compresor a través de la entrada de succión de nivel superior. A medida que el gas reingresa al compresor, se encuentra a 100 grados más frío que el embobinado del motor. El gas entra en el motor/tapa y fluye a lo largo de la parte superior del motor. El gas continúa por la parte superior del tubo de succión y entra al cilindro sin mayor sobrecalentamiento.

Cuando la válvula de succión se cierra, el flujo de entrada de gas se interrumpe hasta la siguiente carrera de admisión. Esta parada abrupta provoca una pulsación de presión que viaja de retorno por la trayectoria de entrada, a la velocidad de sonido. La pulsación de refrigerante vapor golpea la parte superior del motor, amortiguando el ruido conforme enfría al embobinado.

Entre menos se sobrecaliente el motor, mayor será la eficiencia del compresor (EER). El motor/tapa, al estarse enfriando, ejecutan la función de un amortiguador de gas de succión. Dado que por el gas de retorno la energía acústica potencial está siendo absorbida simultáneamente con el enfriamiento del motor, el proceso recibe el nombre de Acousti-Cool.

Acousti-Cool es el manejo de la tempera-tura del motor con base en ingeniería. El enfriamiento controlado del motor permite que el compresor trabaje a temperatura más baja que otros compresores herméticos. El enfriamiento del motor conduce a más larga vida del motor y a menores costos operativos.

Recuperación de la Presión del Cárter
El compresor reciprocante utiliza un cárter encerrado que protege los cojinetes críticos de la biela/cigüeñal al limitar la cantidad de refrigerante líquido y de partículas en el área de rodamientos. El colector de aceite del cárter se separa del cigüeñal en rotación lo que posibilita el suministro ininterrumpido de aceite.

Con el recorrido descendente (expansión), se aumenta la presión en el cárter, suministrándose una pequeña cantidad de refrigerante para ser inyectada en el aceite. Esto produce una pequeña capa de espuma de aceite que minimiza la transmisión del sonido. La presión del cárter desarrollada durante la carrera descendente se recupera durante el recorrido ascendente (compresión), lo cual contribuye al aumento de la eficiencia.

Capacidad de Esfuerzo del Compresor
Este compresor utiliza pistones y bielas conectoras de aluminio. La ligereza del aluminio posibilita arranques suaves y alivia el esfuerzo sobre el cigüeñal. Para mayor durabilidad, la marca utiliza una camisa de cilindro de hierro fundido perlítico, único en la industria. Para mayor sellado en todos los rangos operativos de la bomba de calor, utiliza un anillo de compresión de hierro fundido.

El compresor, con armazón y carcasa del motor totalmente de aluminio, disipa el calor de las superficies de los rodamientos. Esto reduce el esfuerzo térmico y permite al compresor funcionar más frío que los compresores de armazón de hierro fundido. El bajo peso del armazón reduce el esfuerzo sobre los resortes de montaje. El armazón está diseñado con una amplia área de succión para minimizar la caída de presión dinámica del gas de succión. El flujo de gas de succión a la válvula, es prácticamente irrestricto.

Esfuerzo Mecánico
Bajo determinadas condiciones de funcionamiento, habrá llegada de líquido al compresor. Esto puede conducir a un golpeteo del líquido. Si bien no se ha diseñado algún compresor reciprocante que bombee el refrigerante líquido, este sí ofrece una tolerancia superior al golpeteo de líquido.

La válvula es el componente más crítico del compresor. Sufre mayor esfuerzo mecánico, térmico y de presión que cualquier otro componente del compresor. Trane fabrica todas sus válvulas bajo especificaciones de diseño extremadamente rigurosas. En las bombas de calor, las válvulas se abren y se cierran 57 veces por segundo hasta un total de 800 millones de veces por año. Debido a que los compresores Climatuff están diseñados para aplicaciones de bombas de calor, se requiere de un material prácticamente indestructible para las válvulas.

Las válvulas de descarga y de succión están construidas de acero especial tipo sueco. El acero posee una microestructura exclusiva con un alto contenido de carbón y un bajísimo contenido de inclusiones no ferrosas tales como sulfitos y silicatos. En consecuencia, esta válvula es altamente resistente a la fatiga del metal y no se ve afectada por exceso de calor.

Existen algunas ventajas muy claras respecto al diseño de la carcasa grande, ya que actúa como acumulador, minimizando las trampas de aceite potenciales, las fugas del sistema y las caídas de presión de un acumulador por separado.

La buena lubricación es esencial para alargar la vida de los rodamientos del compresor siendo, además, una de las claves para la confiabilidad del compresor. El cigüeñal del compresor duplica su función como bomba de aceite centrífuga, positiva, no-direccional. Proporciona un suministro constante de aceite a la superficie de los rodamientos durante el funcionamiento de la bomba. Además, ayuda a evaporar el refrigerante líquido y enfría el motor y los rodamientos.

Al arrancar el sistema, el aceite podría haberse drenado o haberse diluido en las superficies de los rodamientos por la entrada del refrigerante. Si el sistema está sobrecargado, la reserva de aceite en la parte inferior del cárter podría flotar por arriba de la abertura de la bomba de aceite, debido al líquido refrigerante más pesado. Todo esto puede producir la resequedad de los rodamientos y, en consecuencia, manifestarse durante el arranque del compresor. Para evitar lo anterior, la marca recubre sus rodamientos con estaño para que sirva como lubricante protector hasta que se establezca el flujo de aceite.

Otra tensión mecánica consiste en la absorción de energía de inercia durante el arranque y el apagado. Estos compresores utilizan un sistema de montaje patentado, de doble resorte, para absorber la energía. Estos resortes de alta resistencia, sin provocar ruido, aíslan el compresor que está en operación dentro de la carcasa. El esfuerzo en las conexiones externas se reduce como consecuencia de la reducción en las vibraciones de la carcasa.

Como resultado, se propicia la larga vida del sistema.

Bomba de aceite centrífuga / cigüeñal del compresor Climatuff
1.  La tecnología de paso de aceite en la parte inferior del cigüeñal recoge el aceite y refrigerante líquido residual del depósito del compresor. Esta mescla es jalada por la fuerza centrífuga en camino ascendente del pasaje del aceite.

2.  La superficie caliente del cigüeñal comienza a evaporar el refrigerante líquido que ha sido recogido con el aceite. La fuerza centrífuga causada por la rotación del cigüeñal comienza a separar el aceite del vapor refrigerante. El aceite, al ser más pesado, es despedido hacia fuera del pasaje del aceite, de donde será enviado a la superficie de los rodamientos a través de los puertos del cigüeñal. El vapor refrigerante continuará ascendiendo por el pasaje del aceite.

3.  El pasaje del venteo del gas tiene forma angular en la parte superior del cigüeñal. La línea central es el punto de cero presión y, en consecuencia, el aceite no podrá cruzar esta línea debido a la fuerza centrífuga. Solamente el vapor refrigerante cruzará la línea central saliendo por el puerto superior.

4.  El corte seccional del cigüeñal (extremo superior derecho) muestra la desviación y el pasaje de venteo angular del gas. El cigüeñal tiene 15 dimensiones críticas y está maquinado y pulido para tolerancias de los rodamientos tan cercanos como 0.0001 pulgadas. Esto representa aproximadamente 1/30 del grosor de un cabello humano.

Funcionamiento de la Compresión Reciprocante:
Estos dos diagramas ilustran la importancia del diseño de la válvula para eficientar el flujo de gas y la tolerancia del refrigerante líquido.

En la carrera descendente, cuando la presión en el cilindro es menor que la presión de succión, la válvula de succión es despegada de su asiento permitiendo la penetración del refrigerante al cilindro. El gas entra eficazmente, con trayectoria cilíndrica, alrededor de la circunferencia de la válvula.

En la carrera ascendente, la válvula de succión se cierra impidiendo la salida del refrigerante del cilindro. Cuando la presión del cilindro excede la presión de descarga, la válvula redonda grande de descarga se levanta completamente desde su asiento permitiendo la salida eficaz del gas del cilindro. Si hay presencia de líquido, la dinámica de flujos resultantes de las superficies cónicas y la proximidad de la válvula, permitirá la purga del líquido desde el cilindro sin dañar las válvulas. Además de ser eficaces para el flujo de gas, las válvulas de este compresor están diseñadas para tolerar un cierto acumulamiento de líquidos.

Trane, compañía líder mundial en equipo HVAC, fabrica 4 de las 5 tecnologías líderes en compresores. Los compresores centrífugos y de tornillo de 35 a 1300 toneladas son fabricados por el Grupo Internacional de Sistemas Aplicados del corporativo. Los compresores Reciprocantes y tipo Scroll de 1 a 15 toneladas se fabrican por el Grupo de Productos Unitarios y por el Grupo Internacional de Sistemas Aplicados.
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