El Compresor Scroll Sinónimo de Eficiencia y de Ahorro Energético en Sistemas HVAC&R

Los Sistemas de Refrigeración y Aire Acondicionado que implementan los compresores de tipo Scroll, están ganando terreno en el ámbito residencial, comercial e industrial, esto se debe a su mayor capacidad de desplazamiento volumétrico, y a su marcada diferencia en el consumo de energía, lo que representa bajos costos de operación durante el proceso de  arranques y puestas en marchas.

Por: Ing. Luis Vega

El diseño de los compresores scroll, ofrece un mayor perfeccionamiento técnico sobre los compresores convencionales (reciprocantes o de pistón), ya que les permite operar con niveles muy bajos de ruido y vibración, esto se debe a que se conforman de un menor número de partes móviles, lo que los hace más compactos y ligeros en su peso, con una proporción de hasta de un 25% menos en comparación con los compresores reciprocantes, lo que representa una mejor aceptación en los  sistemas de aire acondicionado, en capacidades de 3-30 toneladas en sistemas simples, logrando capacidades superiores con más de 2 compresores en paralelos. Algunas pruebas efectuadas en laboratorio demuestran que llegan a ser dos veces más silenciosos que los compresores reciprocantes.

Aunque el compresor Scroll, o de espiral fue descrito por primera vez en 1905 por el francés León Creux, sólo las recientes técnicas de mecanización por control numérico han hecho posible la fiabilidad de fabricación imprescindible para este tipo de compresores, cuyo diseño se basa principalmente en la consecución de tolerancias muy estrechas en piezas de forma geométrica complicada, como es el caso de los perfiles en espiral.

FINALIDAD DEL COMPRESOR SCROLL EN EL CICLO DE REFRIGERACIÓN
El compresor tiene dos funciones en el ciclo de refrigeración por compresión. En primer lugar succiona el vapor refrigerante y reduce la presión en el evaporador a un punto en el que puede ser mantenida la temperatura de evaporación deseada.

En segundo lugar, el compresor eleva la presión del vapor refrigerante a un nivel lo suficientemente alto, de modo que la temperatura de saturación sea superior a la del medio de enfriamiento disponible para la condensación del vapor refrigerante.

El compresor Scroll se puede considerar como la última generación de los compresores rotativos de paletas, en los cuales éstas últimas han sido sustituidas por un rotor en forma de espiral, excéntrico respecto al cigueñal, que rueda sobre la superficie del estator, que en lugar de ser circular tiene forma de espiral, concéntrica con el cigüeñal del motor.

El contacto entre ambas superficies espirales se establece, en el estator y el rotor, en todas sus generatrices.

Como se puede comprobar, hay otra diferencia fundamental respecto a los compresores rotativos de paletas, ésta es que la espiral móvil del rotor no gira solidariamente con este último, sino que sólo se traslada con él paralelamente a sí misma.

En los compresores Scroll, el hecho de que los perfiles de las dos espirales sean  envolventes, permite a la espiral móvil rodar sin deslizamiento sobre la espiral fija, cumpliéndose en todo momento la alineación de los centros de las dos espirales y el punto de contacto entre ambas.

Este compresor está hecho por dos espirales (Scroll) una fija y la otra móvil: compresión y descarga, son ciclos suaves y continuos durante la rotación en que ocurre el ciclo.

Aspiración: En la primera órbita, 360º, en la parte exterior de las espirales se forman y llenan totalmente de vapor.

Compresión: En la segunda órbita, 360º, tiene lugar la compresión a medida que dichas celdas disminuyen el volumen del gas refrigerante, acercándolo hacia el centro de la espiral fija, alcanzándose al final de la segunda órbita.

Descarga: En la tercera y última órbita, puestas ambas celdas en comunicación con la lumbrera de escape, tiene lugar la descarga (escape) a través de ella.

Cada uno de los tres pares de celdas, estarán en cada instante en alguna de las fases descritas, lo que origina un proceso en el que la aspiración, compresión y descarga tienen lugar simultáneamente y en secuencia continua, eliminándose por esta razón las pulsaciones casi por completo.

FUNCIONAMIENTO
En este tipo de compresores, las celdas o cámaras de compresión de geometría variable y en forma de hoz, están generadas por dos caracoles o espirales idénticas, una de ellas, la superior, fija (estator), en cuyo centro está situada la lumbrera de escape, y la otra orbitante (rotor), estando montadas ambas frente a frente, en contacto directo una contra la otra, la espiral fija y la móvil cuyas geometrías se mantienen en todo instante desfasadas un ángulo de 180º, entre  un dispositivo antirotación, están encajadas una dentro de la otra de modo que entre sus ejes hay una excentricidad en orden a conseguir un movimiento orbital de radio del eje de la espiral móvil alrededor del de la espiral fija.

Fijándose exclusivamente en el conjunto (árbol motor-rotor) con cada giro de 360º el árbol motor se adhiere a la espiral inscrita en el plato rotor excéntrico, generando los siguientes movimientos:

a) Uno de rotación de 360º alrededor de su eje, (que tendría lugar igualmente si el valor de el fuera nulo)

b) Otro simultáneo de traslación paralela a sí misma alrededor del eje del cigueñal (que no se produciría si el valor fuese nulo).

Si se desea que la espiral describa únicamente éste último movimiento de traslación orbital sin la rotación producida por el hecho de estar solidariamente sujeta al plato, es necesario eliminar mediante un dispositivo antirotación ésta última unión rígida, lo que se consigue montando la espiral móvil sobre un simple cojinete vertical de apoyo, concéntrico con ella.

De esta manera, el giro del árbol motor o cigüeñal arrastra al conjunto del caracol móvil, haciéndole describir alrededor del árbol motor (y por lo tanto alrededor del centro del caracol fijo, punto donde está situada la lumbrera de escape), una órbita de radio sin rotación simultánea.

VENTAJAS
Los compresores Scroll por su diseño compacto y por su menor número de partes móviles, son más confiables que los reciprocantes ya que eliminan las oportunidades de falla que puedan presentarse por ajuste o torques incorrectos.

Los circuitos frigoríficos y de bomba de calor que utilizan compresor Scroll alcanzan valores del COP inusualmente altos, posibles únicamente debido al elevado rendimiento volumétrico que tiene este compresor para todas las condiciones de funcionamiento que pueden presentarse (relaciones de compresión diversas).

Las causas de este buen rendimiento volumétrico son:

a)  Inexistencia de espacio muerto perjudicial.
b)  Ausencia de válvulas de admisión y escape así como de segmentos que eliminan posibles retrasos en su apertura.
c)  El contacto, en las espirales como en sus bases y bordes superiores, es perfecto y constante (adaptabilidad axial y radial muy buena).
d)  Mínimo efecto de separación física de las zonas de aspiración (exterior espirales) y descarga (interior espirales)

Otra consecuencia beneficiosa del elevado rendimiento volumétrico que posee este tipo de compresores es su menor tamaño, comparado con el necesario para un alternativo de la misma potencia frigorífica.

LUBRICACIÓN.
La lubricación de los dos cojinetes del cigüeñal y el de apoyo de la espiral móvil, se realiza con aceite impulsado a través del interior del cigüeñal mediante una bomba centrífuga sumergida en el cárter y movida por el mismo cigüeñal. Este circuito de aceite está totalmente separado de las superficies de contacto de ambas espirales, cuya lubricación está asegurada por la pequeña cantidad de aceite arrastrado por el vapor de aspiración.

CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS EXIGIDAS PARA ACEITES LUBRICANTES.
Las características de lubricación se mantendrán satisfactorias durante un período largo si se consideran las temperaturas de operación, presión y ausencia de contaminantes. Las principales variables que se deben considerar son:

• Viscosidad.
• Compatibilidad con el gas refrigerante: se puede presentar como consecuencia la sedimentación del aceite (ceras), obstrucción del capilar y/o la válvula de expansión.
• Efecto de carbonización: la formación de carbones afecta principalmente las válvulas de succión y descarga.
• Estabilidad química.
• Rigidez dieléctrica.
• Humedad.
• Miscibilidad.

Los tipos de aceites refrigerantes aprobados son: mineral (nafténico), sintéticos (alquilbenceno), blanco (nafténico/parafínico), parafínico, polioléster.

En las aplicaciones de aire acondicionado para sistemas que utilizan R-22 usan aceites minerales, sintéticos y blancos.

En algunas aplicaciones tendrán que considerarse, aceites Polioléster cuando se trabaje con Refrigerantes Ecológicos 404A, 507, 407,410.

Los compresores Scroll por su diseño compacto y por su menor número de partes móviles, son más confiables que los reciprocantes ya que eliminan las oportunidades de falla que puedan presentarse por ajuste o torques incorrectos

BUENAS PRÁCTICAS DE CARGA Y MONITOREO DE ACEITE
Como norma general siempre se deberá mantener el nivel de aceite aproximadamente a la mitad del visor del compresor. Si se utiliza un regulador, el nivel en este caso debería de encontrarse por encima de la línea media del visor que se encuentra en el citado regulador, todos los compresores se entregan con una carga inicial de aceite.

Con los compresores se deben utilizar únicamente estos aceites específicos.

Bajo ninguna circunstancia se deberán mezclar aceites éster con aceites minerales o alquilbencénicos cuando se utilicen refrigerantes HFC.

El aceite éster tiene un carácter extremadamente hidroscópico, que afecta su estabilidad.

El número de ciclos de arranque/paradas en un compresor Scroll se debe limitar a 10 por hora.

Una frecuencia elevada, con el consiguiente arrastre de aceite a la instalación en cada ciclo, podría provocar un defecto de lubricación en el compresor. Este problema se pondrá de manifiesto especialmente si el tiempo de funcionamiento posterior al arranque del compresor no es suficiente como para garantizar que el aceite desplazado retorne nuevamente.

Se debe tener en cuenta, que hasta cierto punto, el aceite siempre se encuentra en el sistema en el interior de todos los componentes recubriendo los mismos en una cierta extensión.

La viscosidad del aceite varía con la temperatura del refrigerante mientras que la velocidad del gas en el sistema varía con dicha temperatura, en condiciones de carga baja si se diera el caso de que la velocidad del gas no sea lo suficientemente elevada como para que el aceite retorne al compresor, se deberán diseñar las tuberías del sistema de la forma adecuada para corregir el citado problema.

Se debe hacer vacío en el sistema hasta niveles de 0,3 mbar/0.

En caso de duda en cuanto al contenido de humedad, es recomendable tomar una muestra de aceite de diferentes puntos y comprobar dicho contenido. La humedad residual en la instalación debería de encontrarse por debajo de 50 ppm.

Es necesario considerar que el indicador de humedad sólo detectará el contenido de la misma que se encuentra presente en el refrigerante líquido, y que por lo tanto, el nivel de humedad real presente en el aceite POE podrá ser muy superior al indicado por el visor.

Ello se debe al carácter altamente higroscópico de dicho aceite. Debido a la elevada higroscopicidad del aceite POE, se recomienda no retirar los tapones de las conexiones del compresor hasta que éste vaya a ser instalado.

Algunas aplicaciones de los compresores Scroll

• Centrales de compresores para media y baja temperatura
• Aires Acondicionados de Tipo:  Remotos, Unidades Centrales, Divididos
• Cámaras de conservación y congelados
• Manipulación y almacenaje de productos congelados
• Máquinas de fabricación de hielo
• Vitrinas para alimentos a media y baja temperatura etc.

La creciente necesidad de diseñar equipos que sean confiables en la industria de HVACR, representa un reto al que todos nos tenemos que sumar, ya que día con día se están agotando los recursos no renovables y el calentamiento global cada vez es más crítico, por lo que tenemos que garantizar que las normas de fabricación y operación de los equipos sean las más altas en materia de desempeño y de consumo de energético.
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Referencias:

Manual de Refrigeración y Aire Acondicionado. Prentice Hall HispanoAmericana, S.A. 1994.

2ª Edición Danfoss Industries Edición 2004