Nueva generación de compresores centrífugos magnéticos

Los compresores con cojinetes magnéticos ofrecen beneficios económicos, energéticos y ambientales. Asimismo, han eliminado el uso del aceite de lubricación, y la disminución de los ruidos que emiten es notoria.

Iván Naranjo.

Esta nueva tecnología fue presentada en enero de 2003 durante una exposición internacional de aire acondicionado, calefacción y refrigeración, en la ciudad de Chicago, Illinois. Se hizo acreedora a los premios Innovation Award, en la categoría de energía, y al Energy Efficiency Award, en Canadá, por su capacidad para reducir gases de efecto invernadero.

Estos compresores son empleados con mayor frecuencia en chillers enfriados por agua y sus cualidades son clave para mejorar el rendimiento a cargas parciales (IPLV, por sus siglas en inglés).

Cojinetes
Los compresores centrífugos convencionales utilizan cojinetes de rodamiento o cojinetes hidrodinámicos. En ambos casos, existen pérdidas de energía por fricción y requieren aceites para su lubricación y enfriamiento. Recientemente, se han desarrollado cojinetes de rodamiento cerámicos, los cuales evitan problemas de manejo de aceites y reducen los consumos energéticos (no los eliminan), y su lubricación está dada por el mismo refrigerante.

La tecnología de cojinetes magnéticos es significativamente diferente. Poseen electroimanes e imanes permanentes que son controlados mediante un sistema digital, permitiendo a la flecha y al impulsor levitar para controlar su rotación y posición. Los cojinetes radiales proveen la fuerza electromotriz necesaria para generar la rotación y controlar las revoluciones, mientras que el cojinete axial mantiene centrado y en posición a la flecha y al impulsor.

Una vez que los cojinetes magnéticos son energizados, el impulsor y la flecha comienzan a levitar. Los cojinetes magnéticos permanentes realizan el primer trabajo, mientras que los electroimanes controlados digitalmente proveen el posicionamiento fino.

Existen cuatro sensores de posicionamiento por cada cojinete magnético, los cuales mantienen al arreglo de levitación (conformado por la flecha y el impulsor) centrado, con una tolerancia de 0.0005 mm. Cada vez que este arreglo modifica su posición del punto central, los electroimanes ajustan su intensidad para corregirla. Esta corrección puede llegar a ocurrir más de 6 millones de veces por minuto y el programa de control está diseñando para compensar automáticamente cualquier desequilibrio que pueda sufrir el arreglo.

Paro y fallas energéticas
Cuando el compresor no está en operación, el arreglo de levitación reposa sobre un cojinete de contacto con revestimiento de grafito en la cara interna. Los cojinetes magnéticos proveen el posicionamiento adecuado al rotor, previniendo el contacto con otras superficies metálicas. Si el cojinete magnético falla, el cojinete de contacto (también conocido como cojinete de respaldo) es utilizado para prevenir una falla del compresor.

El compresor utiliza capacitores de onda suave en la línea de corriente directa del motor. Después de una falla en la energía (corte de energía), el motor se convierte en generador de forma instantánea, utilizando el momento angular (par angular) para generar electricidad, manteniendo así a los capacitores con carga durante el periodo de falla o corte de energía. Los capacitores, a su vez, proveen suficiente energía para mantener al rotor en levitación, permitiendo al sistema detenerse y reposar sobre el cojinete de contacto en forma suave, por lo que esta característica permite al compresor ver al corte de energía como un paro normal.

Diseño libre de aceite
El manejo de aceite, particularmente para mantener lubricados a los cojinetes del compresor, es un elemento crítico para el diseño de un sistema de refrigeración; sin embargo, los cojinetes magnéticos no lo requieren para este fin, y sólo se utiliza en pequeñas cantidades para lubricar otros aparatos, como sellos y válvulas (ocasionalmente). No obstante, puede evitarse por completo el uso de aceites también para estos componentes.

Al hablar de un equipo libre de aceites para lubricación, también se refiere a la eliminación del costo del sistema de bombeo, calefacción, enfriamiento y separación de aceite, así como al costo de servicio de mantenimiento para conservar un adecuado desempeño del aparato de lubricación. Dicho costo es posible que ascienda a más de 50 por ciento del costo total de servicio asociado con el compresor.

La mayoría de los productos de aire acondicionado y refrigeración que poseen condensador enfriado por aire (incluyendo chillers, unidades tipo paquete y condensadores) utilizan evaporadores de expansión directa. La mayoría de los sistemas de expansión directa permiten que el aceite viaje a través del circuito de refrigeración y así pueda regresar al cárter del compresor. Para ello, debe tenerse mucho cuidado en el diseño del sistema de refrigeración de modo que se asegure el regreso del aceite; particularmente, cuando el sistema se encuentra operando a cargas parciales debido a la reducción del flujo de refrigerante.

Los chillers enfriados por agua utilizan evaporadores de tipo inundado. Este tipo de evaporadores aloja pequeñas cantidades de aceite que forman una película dentro de la tubería, lo que genera una disminución en el desempeño del equipo, pues se ve afectado por la reducción de eficiencia de trabajo del  intercambiador.

El proyecto de investigación 601-TRP de ASHRAE muestra diez chillers en operación seleccionados aleatoriamente. El estudio reveló que todos contenían exceso de aceite en diferentes proporciones. Los tres chillers con menor cantidad de aceite habían sido sometidos a servicio de reemplazo de refrigerante en los últimos seis años; sin embargo, aún mantenían un nivel alto de aceite, suficiente para provocar una disminución en su desempeño.

Todos los fabricantes de chillers recomiendan niveles no mayores a 0.5 por ciento de excedente de aceite en el sistema. El exceso de aceite encontrado en los tres chillers mencionados anteriormente se encontraba entre tres y siete por ciento; el resto de los chillers contenía niveles entre nueve y 20 por ciento.

Otro estudio de ASHRAE, sobre el “efecto del aceite en los evaporadores… Parte 1: R-123 y Parte 2: R-134a”, concluye: “El resultado del flujo de evaporación obtenido en la baja presión del refrigerante… muestra una marcada disminución en la transferencia de calor con la adición de una pequeña cantidad de aceite a lo largo de varias operaciones con diversas cargas térmicas. Incluso, con uno a dos por ciento de aceite en exceso, el coeficiente de transferencia de calor se reduce un tercio en comparación con su línea de base. Para el contenido de aceite sustancial (5-15 por ciento), se observó entre 40 y 50 por ciento de reducción en la transferencia de calor”.

La tabla siguiente muestra la proporción de pérdida de desempeño por exceso de carga de aceite:

El procedimiento para descontaminar al evaporador por un exceso de aceite es caro y requiere equipamiento para su ejecución (sistema de purga). Los compresores centrífugos magnéticos eliminan la necesidad y pérdidas atribuibles al sistema de lubricación.

El motor
La mayoría de los compresores herméticos utilizan motores de inducción enfriados por el refrigerante líquido o el gas de la succión. Los motores de inducción poseen devanados de cobre que, cuando alternan corriente que fluye a través de ellos, generan un campo magnético que hace que el motor gire. Estos devanados son voluminosos, sumando tamaño y peso al compresor.

Los motores de inducción de dos polos, a 60 Hz, operan aproximadamente a 3 mil 700 revoluciones por minuto (RPM). Un número mayor de revoluciones por minuto puede obtenerse incrementando la frecuencia. Los compresores que requieren mayores velocidades de giro utilizan engranes; éstos generan ruido y vibración, consumen energía y requieren lubricación.

Los compresores con cojinetes magnéticos cuentan con motores de imanes permanentes sincronizados de corriente directa, con un variador de frecuencia integrado (VFD, por sus siglas en inglés), en el cual los devanados de cobre de los motores de inducción convencionales se reemplazan por rotores de imanes permanentes. El variador de frecuencia integrado también actúa como arrancador suave, consumiendo menos de dos Amperes de corriente al arranque, en comparación con los picos de consumo de 500 a 600 amperes consumidos por un compresor tipo tornillo de 75 toneladas de refrigeración, a 460 volts, con arrancador tipo Línea cruzada.

Rango de capacidades y eficiencia
El rango de capacidades de los compresores centrífugos magnéticos va desde 60 hasta 700 toneladas de refrigeración (TR) en un sólo compresor, dependiendo de sus condiciones de operación. Los equipos más pequeños (de 60 TR hasta 150 TR) utilizan un sólo compresor. Para configurar equipos de mayor capacidad, se han desarrollado chillers con dos o más compresores; sin embargo, actualmente existen chillers que ofrecen capacidades de 500 TR hasta 700 TR para equipos enfriados por agua con un sólo compresor.

Los motores de inducción tradicionales operan en el rango de 92 por ciento de eficiencia, mientras que los compresores de imanes permanentes poseen un rango entre 96 y 97 por ciento. Este incremento se debe al uso de los cojinetes magnéticos, los cuales eliminan las pérdidas energéticas asociadas con la fricción entre partes metálicas generadas en los cojinetes tradicionales con lubricación. Los cojinetes convencionales de rodamiento pueden consumir hasta 10 mil watts en pérdidas por fricción, mientras que los cojinetes magnéticos sólo consumen 180 watts (debido a la fricción del refrigerante). Esta proporción es de 500:1 en pérdida por fricción. Los proyectos en desarrollo para esta tecnología buscan la expansión en rango de capacidades y el mejoramiento de la eficiencia energética, lo cual promete ofrecer mayor campo de aplicación para equipos enfriados por aire y por agua, y mejorar los desempeños actuales.

Control
Este nuevo diseño de compresores puede considerarse, actualmente, como una computadora. Pueden proporcionar un diagnóstico detallado del desempeño de operación y transferir esta información por medio de algún protocolo de comunicación abierto al sistema de control centralizado en el edificio.

Campo de aplicación
La combinación de la tecnología de los evaporadores de tipo inundado, junto con la tecnología del compresor centrífugo magnético, permiten mejoras en el desempeño de estos equipos en comparación con un compresor centrífugo tradicional. La integración del variador de frecuencia proporciona un excelente rendimiento a cargas parciales, y es en este campo donde estos equipos ofrecen un retorno de inversión de hasta dos años, dependiendo de cada aplicación particular.

Los consumos a carga plena llegan hasta 0.639 kW/TR (5.6 en factor COP) con un valor integrado a cargas parciales (IPLV) de 0.365 kW/TR. Este valor IPLV puede bajar hasta 0.28 kW/TR o menor, dependiendo de las condiciones de operación y la capacidad del equipo. El cálculo para obtener el factor integrado a cargas parciales es el siguiente:

En donde:
A = es el valor en kW/TR al 100% de operación del equipo
B = es el valor en kW/TR al 75% de operación del equipo
C = es el valor en kW/TR al 50% de operación del equipo
D = es el valor en kW/TR al 25% de operación del equipo

Nivel de ruido y vibración
Debido al diseño de operación del arreglo de levitación, no existe contacto entre partes metálicas. Los cojinetes magnéticos generan un espacio de libre contacto, en cuyo movimiento de rotación, únicamente el motor del rotor transmite vibración a la estructura del compresor.

De manera similar, los bajos niveles de ruido generados se deben al movimiento del refrigerante que pasa por el compresor y el resto proviene del sistema de refrigeración. El ruido provocado por un compresor tipo tornillo ocurre en el octavo de banda más alta. En una configuración de un chiller centrífugo magnético con dos compresores, la presión sonora a 1.0 metros de distancia en este octavo de banda es de 77 dB (Estándar de ARI-575-94, para el método de medición sonora en equipos mecánicos a una distancia determinada).

Los compresores centrífugos de tipo magnético forman parte de una realidad tecnológica y ofrecen una solución altamente eficiente para las aplicaciones comerciales e industriales, siendo amigable con el ambiente al utilizar refrigerante ecológico R-134a, que no afecta ni daña la capa de ozono.
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Iván Naranjo
Ingresó en 2007 a Equipos McQuay, S.A. de C.V. Actualmente, se desempeña como asesor Técnico y Comercial, ofreciendo soluciones de equipo aplicado en la región del Bajío.