Compresión Scroll: Mejoras en Forma de Espiral

En edificios con sistemas de aire acondicionado y climatización, más de 80% de la energía utilizada se destina a estos equipos, y de ello, la mayor parte corresponde al funcionamiento de compresores. Por esta y otras razones, la tecnología scroll se presenta como una opción de alto rendimiento y precisión.

El concepto del compresor scroll ha existido por más de cien años. Aún así, el desarrollo de esta tecnología en su etapa moderna comenzó en la década de los 70. La introducción de máquinas con control numérico proporcionó bases para la mecanización precisa de los elementos necesarios para que un compresor scroll pudiera operar silenciosa y eficientemente. Actualmente, esta tecnología es ampliamente utilizada en aplicaciones de aire acondicionado y refrigeración, cubriendo un amplio rango de operación usando diversos refrigerantes, siendo más común la que va de 1 a 25 toneladas.

Desde su introducción al mercado unitario de aire acondicionado, a finales de la década de los 80, los compresores scroll han tenido gran éxito en aplicaciones tanto residenciales como comerciales, siendo los más pequeños (de 1 a 6 toneladas) más comunes en sistemas residenciales, como sistemas de bombas térmicas empleados para calentar o enfriar hogares y negocios. A su vez, compresores más grandes (de 7 a 25 toneladas), sirven en aplicaciones comerciales como enfriadores de líquido (chillers) y en diversos sistemas de unidades condensadoras.

La combinación de elementos como diseño y fabricación a bajo costo, alta eficiencia y alto volumen, son razones por las que los compresores scroll, han logrado éxito en el mercado que requiere equipos cada vez más eficientes, con soluciones que responden a las necesidades ambientales y requerimientos de conservación de energía, aspectos cada vez más importantes a considerar por los fabricantes de compresores de hoy.

La tecnología scroll tiene la capacidad para responder satisfactoriamente a estos retos técnicos; proporciona al usuario final beneficios reales en eficiencia, confiabilidad, tamaño, peso y bajo nivel de ruido, más allá que otras tecnologías existentes. El uso de mecanismos de conformidad en los compresores scroll ha mejorado su capacidad para manejar refrigerantes líquidos e impurezas presentes en el sistema. Estas características, junto a las mejoras en los dispositivos de protección, han permitido el uso del scroll exitosamente a nivel mundial tanto en aire acondicionado como en refrigeración.

Generalmente los compresores scroll son de diseño hermético, aunque también se producen algunas variantes semiherméticas.

¿Qué ventajas me ofrece la tecnología scroll?
Los compresores scroll poseen una mayor eficiencia isoentrópica con R-410A y son más silenciosos. Incluso comparados con los compresores alternativos a pistón con R-22 actuales, resultan ser más silenciosos hoy; los compresores reciprocantes equivalentes demuestran ser entre 6-8 dBA más ruidosos.

Los compresores scroll requieren pocas partes móviles en comparación con los compresores a pistón. Debido a la baja velocidad de deslizamiento en todos los puntos de contacto, el mecanizado de precisión y ajustadas tolerancias de los elementos del scroll, es posible usar el contacto físico entre ambas espirales como un sello, eliminando la necesidad de usar gran volumen de aceite como sellador. El contacto físico entre las espirales también ayuda a eliminar espaciamientos y reducir fugas para poder crear compresores de alto rendimiento con máquinas de menor desplazamiento. Esto está en directo contraste con los compresores a tornillo, donde altas proporciones de fuga se compensan con desplazamientos mayores.

Los compresores scroll son máquinas silenciosas y de baja vibración; el ruido que generan es relativamente independiente de la pulsación de gas y se asocia sólo con los dispositivos mecánicos reales del scroll (sus irregularidades pueden incrementar efectos de contacto mecánico y con ello ruido).

Estos equipos en su aplicación para aire acondicionado, no tienen válvula de descarga interior, lo que ayuda a reducir ruido eliminando cambios abruptos de flujo. En los compresores scroll de refrigeración, se usa una válvula para mejorar la eficiencia a bajas condiciones de evaporación, diseñada especialmente para minimizar ruido. Por otra parte, la vibración del compresor se minimiza utilizando contrapesos balanceados dinámicamente y mediante compresión continua, con lo que además se minimiza la pulsación de torque asociada.

Debido a que dos elementos de precisión del scroll definen completamente el proceso de compresión, no se necesita una cubierta para ubicar el ensamblaje del scroll en forma precisa dentro del compresor. Aprovechando las ventajas de esta capacidad intrínseca del diseño, las espirales pueden alinearse por sí mismas libremente durante la operación del compresor. Esta capacidad llamada conformidad es de gran importancia para el manejo de refrigerante en estado líquido durante condiciones de inundación y también de las pequeñas cantidades de impurezas que pueden estar presentes en el sistema, pues permite que las espirales se separen ligeramente ante los excesos de presión asociados con la presencia de un alto volumen de líquido.

Elementos Scroll
Un compresor scroll consta de dos elementos en forma de espiral; uno estacionario y otro que gira en movimiento orbitante alrededor del centro del eje motor. Las dos espirales son idénticas y están ensambladas con una diferencia de fase de180°. El movimiento orbital de la espiral giratoria es circular, con la misma amplitud que el motor y a 180° de diferencia respecto al dispositivo antirrotación, conocido comúnmente como acople Oldham.

La magnitud del movimiento orbital depende del radio del círculo base y espesor de pared. Durante el funcionamiento, ambas espirales hacen contacto en varios puntos formando una serie independiente de bolsillos en cada posición del movimiento orbital.

Dichos bolsillos disminuyen progresivamente su tamaño hacia el centro, de este modo, el proceso de compresión scroll se describe como de desplazamiento positivo, aumentando la presión del vapor refrigerante, reduciendo el volumen interno de la cámara de compresión por esfuerzo mecánico.

Ambos bolsillos sellados, interno y externo, se definen exclusivamente por la geometría del scroll y el movimiento orbital. Por su diseño, el dispositivo de involución en espiral del scroll puede reducir el volumen y generar así una relación de compresión propia.

En cada revolución consecutiva del motor, la masa de vapor inicial se mueve hacia el centro por movimiento giratorio, reduciendo su volumen significativamente conforme se mueve de bolsillo a bolsillo.

Figura 1. Como trabaja el Scroll

El proceso de compresión se completa cuando el refrigerante se comprime a su máxima presión de descarga y es liberado en un puerto de descarga localizado en el bolsillo más profundo formado por los elementos combinados. Ya que toma varias revoluciones completar el proceso, este se realiza continuamente para mantener la compresión (Vea la Figura 1).

Diferencias de diseño para refrigeración y aire acondicionado
Debido a que los scroll de refrigeración operan sobre un más amplio rango de temperaturas y relaciones de compresión, existen algunas diferencias de diseño entre equipos para refrigeración y para aire acondicionado. La temperatura de descarga no es el único problema que puede encontrarse a bajas temperaturas de evaporación y temperaturas elevadas de condensación.

También hay relaciones de presión significativamente más altas que ­aumentan estrés sobre los elementos del scroll. Estos aumentos de la proporción de compresión también pueden afectar el puerto de descarga, generando flujo de retorno hacia el scroll que puede afectar el consumo de energía significativamente produciendo recompresión de una porción del gas de descarga.

Figura 2. Mecanizado para altas relaciones de compresion

Una de las modificaciones incorporadas al scroll de refrigeración es el mecanizado especial para elevadas relaciones de compresión (HCR). El mecanizado especial genera un fuerte incremento de la fuerza e incluso reducción en el volumen final de descarga, provocando aumento en la relación de volumen e inherentemente en la relación de compresión (Vea la Figura 2).

Otra modificación es el uso de una válvula dinámica de descarga para controlar el reflujo, reduciéndolo sin crear restricciones u obstrucciones adicionales en la vía y combinado con un puerto de dimensiones reducidas para las condiciones de bajas temperaturas de evaporación y el flujo de baja masa resultante (Vea la Figura 3).

Figura 3. Válvula de descarga dinámica
	· Mejora la eficiencia· Menor diferencia de presión que la válvula reciprocante· Su mal funcionamiento no para la operación del compresor

Adicionalmente, el uso de esquemas de inyección de vapor y de inyección de líquido normalmente sirven para aumentar el rango de operación. La inyección de vapor e inyección de líquido también crean la necesidad de usar conexiones externas, tubería interna adicional y puertos de inyección.

Rendimiento
Los compresores scroll tienen una ventaja inherente de 5 a 10% de rendimiento por encima de compresores rotativos a pistón que se manifiesta en reducción de fugas de gas y pérdidas de flujo. Equipos scroll en general tienen prácticamente cero fugas de gas, en comparación con máquinas rotativas con holgaduras fijas de operación. Mantienen su capacidad de sellado durante el funcionamiento normal, ya que las partes aparejadas se desgastan juntas en su encastre, es decir, se acoplan entre ellas con el uso.

Por otra parte, en los compresores scroll de aire acondicionado, las pérdidas de fluido también se reducen, debido a la ausencia de válvulas en la succión y descarga. Cuando se usan en refrigeración, el uso de una válvula para relaciones de compresión mayor a cinco, también manifiesta mejoras significativas en eficiencia volumétrica al compensar pérdidas inherentes de fluido asociadas a la válvula. Otro efecto de la válvula de descarga y el puerto menor es la disminución de la recompresión de gas, lo que produce menor intercambio de calor entre el gas de descarga y de succión, ayudando a crear una curva plana de eficiencia volumétrica.

En cuanto a rodamientos, los compresores scroll también experimentan mayores cargas que los de tipo rotativo (de 15 a 30%). Existe, incluso, incremento de las cargas de fricción relativas con respecto a compresores rotativos debido al contacto entre las espirales del scroll y el empuje axial, que conduce a una pérdida superior por fricción entre 1 y 2%.

Los compresores scroll funcionan generalmente mejor en aplicaciones de refrigeración que algunos compresores semiherméticos. Sin embargo, el rendimiento del compresor scroll puede presentarse en desventaja en relación al compresor semihermético de alta eficiencia. La inyección de vapor puede usarse para mejorar el compresor scroll y el rendimiento del sistema, al proporcionar al líquido mayor subenfriamiento. Esta mejora de rendimiento puede igualar generalmente la elevada eficiencia de los compresores semiherméticos en las mismas condiciones de operación. A más baja temperatura de condensación, las ventajas inherentes de las bajas fugas de gas y pérdidas de fluido permiten al scroll desempeñarse mejor hasta que el compresor semihermético de alta eficiencia.

Para las aplicaciones de aire acondicionado, los compresores scroll ofrecen algunas ventajas intrínsecas, al reducir niveles de ruido y vibración. Con la ausencia de válvulas dinámicas y un proceso de flujo casi continuo, hay una contribución mínima de las pulsaciones de gas al ruido del compresor.

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Niveles de ruido

En los compresores rotativos, grandes pulsaciones de gas dan contra la carcaza, provocando ruido adicional. Contrastantemente, en los compresores scroll, la mayor contribución de sonido corresponde al contacto mecánico entre elementos. El nivel de sonido de un compresor rotativo y uno scroll del mismo tamaño es comparable, sin embargo, el segundo a menudo puede ser de 3 a 8 dBA más silencioso que un compresor semihermético.

Para los compresores scroll de refrigeración difiere, ya que existen ambos efectos, el del ruido mecánico y el del ruido de gas generado por la válvula y el puerto. A menudo el ruido de gas se reduce internamente con el uso de un silenciador especialmente diseñado.

La vibración asociada a un compresor scroll es generalmente muy baja. El proceso de flujo continuo baja significativamente la vibración de torsión experimentada por el compresor. Combinando esta vibración de baja torsión con el uso de contrapesos dinámicamente balanceados que compensan la rotación interna de los elementos, se pueden alcanzar niveles de vibración estables de menos de las 50 micrones.

La tecnología scroll establece el fundamento tecnológico para compresores silenciosos, confiables y eficientes.

Aplicación y consideraciones
Sea cual sea la aplicación de los compresores scroll (principalmente en aire acondicionado y refrigeración), es necesario tener en consideración algunos lineamientos importantes al momento de diseñar un sistema:

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Futuro del scroll
Basados en el éxito del compresor scroll durante la última década, su futuro es en extremo brillante. Actualmente, esta tecnología tiene franco crecimiento, entrando con facilidad a los mercados HVAC&R para aplicaciones residenciales y comerciales gracias a su eficiencia superior, confiabilidad comprobada y facilidad de instalación.

El rendimiento de estos equipos y su bajo nivel de ruido han demostrado que son superiores a otras tecnologías en aire acondicionado, presentando además algunas mejoras adicionales. De esta manera, la tecnología scroll es comparable a los compresores semiherméticos de alta eficiencia de hoy.

Los equipos scroll ofrecen una amplia variedad de opciones en la modulación de capacidad y en esquemas mejorados de inyección de vapor, que pueden proporcionar un incremento en la eficiencia del compresor y del sistema. Esto es cada vez más importante para cumplir con los requerimientos futuros de conservación de energía y las obligaciones globales para reducir las emisiones de anhídrido carbónico. (CO2) Adicionalmente, la tecnología scroll ofrece la mejor opción para continuar el desarrollo de diseño y fabricación de compresores más silenciosos y confiables.

Por otra parte, los compresores scroll tienen la ventaja adicional de permitir el uso de gases como el R-410A (al que estos equipos se ajustan naturalmente), y abre una oportunidad para otras conversiones y compresores de este tipo específicamente diseñados para nuevos refrigerantes.

La tecnología scroll juega un papel importante en la sustitución del gas R-22, ya este tipo de equipos están diseñados para usarse con refrigerantes sin cloro como en R-410A, R-404A y R-134A, entre otros.

Los compresores scroll están en el corazón de la mayoría de los sistemas de aire acondicionado y refrigeración. Desde hogares y edificios de oficinas hasta supermercados y medios de transporte, brindando rendimiento y confort inigualables, tanto a dueños de casas como a usuarios finales.

Al ser utilizada en uso residencial, la variante de compresores scroll de dos etapas permite tener los sistemas de acondicionamiento trabajando en ahorro de energía hasta 80% del tiempo y operar a máxima capacidad en días especialmente calurosos.

En el caso de refrigeración comercial, por su confiabilidad, esta tecnología se usa cada vez más con gran éxito. En consecuencia los contratistas y fabricantes buscan nuevas aplicaciones para llevar la compresión scroll a mercados de alto desempeño.

Los fabricantes de equipamientos en la industria del transporte refrigerado están usando esta tecnología para obtener el control de temperatura más confiable en contenedores de transporte refrigerado, ya que este tipo de compresión permite una innovadora forma de modular la capacidad del compresor (de 10 a 100%), para que coincida con la carga de refrigeración. Los datos iniciales indican que este encare aumenta la eficiencia energética hasta en 30% en aplicaciones de transporte con capacidad de mantener temperaturas precisas a  más/menos medio grado Fahrenheit.

La tecnología scroll ha logrado entrar sin dificultad en el mercado de transporte, especialmente en manejo y conservación de alimentos y otros productos sensibles por su alta eficiencia y gracias a que su menor número de partes lo hace más tolerante a golpes de líquido en el compresor. En esta área su menor vibración y diferencial de temperatura ayudan a mejorar costos de operación, reducción de fallas y facilidad de uso.

En conclusión, en toda clase de espacios desde edificios de oficinas hasta minoristas de grandes cajas refrigeradas, los compresores scroll aseguran confort, eficiencia y confiabilidad para mantener negocios en funcionamiento, satisfaciendo las necesidades emergentes del mercado de aire acondicionado comercial, con amplia gama de soluciones y modalidades.

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