ELEMENTOS DE LAS PLANTAS FRIGORÍFICAS
Compresores, clasificación y reseña de funcionamiento.
Clasificación de los Compresores:
Los compresores son los dispositivos encargados de hacer pasar el fluido frigorígeno desde la presión de evaporación, correspondiente a las condiciones del foco frío, a la presión de condensación del foco caliente, por lo que hay que hacer un aporte exterior de trabajo.
El tipo de compresor depende del tipo de fluido frigorígeno utilizado. En las máquinas de desplazamiento positivo se aplica una fuerza exterior para obligar a un cierto volumen de gas o vapor a desplazarse desde el recinto a baja presión hasta el recinto
a alta presión.
En los turbocompresores el movimiento de un rotor en el seno del gas o vapor comunica a éste un incremento de energía cinética, que posteriormente se traduce en un incremento de presión al pasar el fluido por un conducto de sección variable que actúa como difusor.
Compresores Alternativos.
Los segmentos colocados en el émbolo proporcionan la estanqueidad entre éste y el cilindro, separando la alta presión imperante en el interior del cilindro, de la parte de baja presión imperante en el cárter.
En el caso de compresores pequeños en lugar de segmentos se utilizan pistones con ranuras, que aseguran la estanqueidad por las importantes pérdidas de carga que sufre el gas al atravesarlas. A esta estanqueidad también colabora la película creada por el aceite de lubricación.El motor que acciona la biela es un motor eléctrico de inducción (monofásico o trifásico), con el rotor en jaula de ardilla, y amortiguado su movimiento a través de muelles. La carcasa inferior es el cárter del motor, admitiendo el aceite necesario para su lubricación. Todo el conjunto queda encerrado en una carcasa metálica formada por dos piezas de acero embutido y soldado por la zona de cierre, por lo que se denominan compresores de tipo hermético.
Al girar el eje del motor un depósito situado en la parte inferior del mismo, recoge el aceite durante el giro, y por efecto de la fuerza centrífuga, lo hace subir hacia arriba a través de una conducción existente en el interior de dicho eje; este aceite sale por la parte superior del eje bañando las diferentes partes del compresor.
Posición 1 = A , 2 = B …..
La posición 1 corresponde al momento en que el pistón alcanza su PMS. Cuando el pistón comienza su carrera descendente, el espacio dentro del cilindro se encuentra lleno de gas todavía a una presión ligeramente superior a la de descarga y en eltranscurso de la carrera descendente, va disminuyendo la presión en el interior del cilindro, hasta que la tensión del resorte correspondiente cierra la válvula de escape, por lo cual, durante la primera parte de la carrera de expansión ambas válvulas están cerradas. Cuando el pistón alcanza el punto 2, se abre la válvula de admisión, continúa su carrera descendente, con lo cual se aspira vapor, según un proceso esencialmente isobárico, hasta que se alcanza el PMI, posición 3.
Cuando el pistón inicia su carrera ascendente, se cierra la válvula de admisión, debido a un ligero incremento de la presión en el interior del cilindro sobre el valor de la presión de aspiración. A partir de este momento, con las dos válvulas cerradas, se
inicia la compresión del gas 3 según un proceso esencialmente adiabático, hasta alcanzarse la posición 4.
En este momento, posición 4, la presión en el interior del cilindro es ligeramente superior al valor de la presión en la descarga y al vencer el resorte correspondiente se abre la válvula de escape. Al continuar la carrera ascendente del pistón, el gas contenido en el interior del cilindro es impulsado hacia el exterior, según un proceso esencialmente isobárico, hasta que aquel alcanza de nuevo el PMS, momento en que se vuelve a iniciar la secuencia descrita.
El cuerpo del compresor es, generalmente, de fundición y viene dividido en dos partes, que son el bloque del cilindro y el cárter.
Las paredes de los cilindros van rectificadas y pulidas a espejo con rigurosas tolerancias, o bien van dotadas de camisas cuidadosamente mecanizadas. La parte exterior del cuerpo del compresor está dotada de aletas, para facilitar el enfriamiento
del bloque de los cilindros.
En el cuerpo del compresor están dispuestos los cojinetes de rozamiento del cigüeñal o excéntrica; las superficies de rozamiento de los cojinetes suelen ir acanaladas para facilitar la lubricación.
Los compresores con cigüeñal en el lado del volante llevan una tapa lateral atornillada, donde va alojado el prensa estopas que permite la colocación del cigüeñal; esta tapa no es necesaria en los compresores de excéntrica, detalle éste que permite distinguir a simple vista el tipo de compresor.
Cuando el peso es un factor a tener en cuenta, se acude a cuerpos de aluminio, como sucede en los vehículos de transporte de productos congelados o refrigerados.
Las válvulas de admisión y de escape son diferentes; en el caso de la válvula de admisión, ésta abre cuando la diferencia entre la presión en la línea de aspiración y la presión en el interior del cilindro equilibra la tensión de un resorte, en tanto que la de escape abre cuando la diferencia de presiones entre el interior del cilindro y la línea de impulsión equilibra la tensión del resorte correspondiente.
El desplazamiento máximo del pistón, igual al doble de la longitud de la manivela, es la carrera, que debe ser algo inferior a la longitud del cilindro, para evitar entre otras cosas que, debido a dilataciones de origen térmico, el pistón pueda golpear contra el
plato de válvulas durante la carrera ascendente.
La posición más elevada del émbolo recibe el nombre de punto muerto superior PMS y la más baja el de punto muerto inferior
PMI.
Compresores Rotativos
Los compresores rotativos son particularmente adecuados para las aplicaciones en las que se requiere un desplazamiento volumétrico elevado a presiones de operación moderadas.
Están constituidos por uno o varios elementos dotados de movimiento rotativo que conforman el rotor, y situados en el interior de un cilindro, estator.
Entre el estator y el rotor existe una cámara en la que el fluido aspirado se comprime, de forma que el movimiento del rotor confina al fluido en dicha cámara eliminando la comunicación con la línea de aspiración; posteriormente el desplazamiento del rotor pone en comunicación la cámara con la línea de impulsión y al existir en ésta una presión mayor, se produce la entrada de fluido procedente de la impulsión en la cámara que comprime el vapor, produciéndose una compresión por reflujo; finalmente,
el movimiento del rotor expulsa todo el fluido de la cámara, obligándolo a pasar a la línea de impulsión. Existen muchos tipos de compresores rotativos, entre los cuales se puede hacer mención a los compresores de paletas, de émbolos radiales, de émbolos
axiales, Scroll, etc.
La diferencia fundamental entre compresores rotativos y alternativos consiste, en lo que a las cualidades de operación se refiere:
Por una parte en el hecho de que la ausencia de desplazamientos alternativos reduce la presencia de vibraciones.
Por otra en que el gasto másico de gas, es mucho menos pulsante.
Compresores Scroll:
Se puede considerar como la ultima generacion por sus paletas, en los cuáles éstas últimas han sido sustituidas por un rotor en forma de espiral, excéntrico respecto al árbol motor, que rueda sobre la superficie del estator, que en lugar de ser circular tiene forma de espiral concéntrica con el eje motor.
La superficie de contacto entre ambas espirales se establece en el estator (en todas sus generatrices) y en el rotor también en todas sus generatrices. Como se puede comprobar, hay otra diferencia fundamental respecto a los compresores rotativos de paletas, y es la de que la espiral movil del motor no gira conjuntamente con este último, sino que sólo se traslada con él paralelamente a sí misma.
El compresor Scroll posee solo una espiral móvil que sigue la trayectoria definida por el mecanizado en una espiral fija, a diferencia de lo que ocurre con la tecnología a pistón, que requiere gran cantidad de partes móviles para lograr el efecto de la compresión buscado. La espiral fija está acoplada rígidamente al cuerpo del compresor. La espiral móvil orbita, acoplada al eje del compresor.
El movimiento orbital crea una serie de compartimientos de gas que se desplazan entre ambas espirales. Estos compartimientos se forman en la periferia de las espirales y van desplazándose hacia el centro, donde se produce la descarga. A medida que estos compartimientos se desplazan, va disminuyendo su volumen y aumentando la temperatura y presión del gas que está dentro de ellos, generándose el efecto de compresión buscado.
Su funcionamiento se puede definir en 3 fases :
– Aspiración: En la primera órbita (360º), en la parte exterior de las espirales se forman y llenan completamente de vapor a la presión P1 dos celdas.
– Compresión: En la segunda órbita (360º), se produce la compresión a medida que dichas celdas disminuyen de volumen y se acercan hacia el centro de la espiral fija, alcanzándose al final de la segunda órbita, cuando su volumen es V2 y la presión de escape P2.
– 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.
Compresor de Tornillo ( rotor único )
La potencia de compresión se transfiere directamente desde el rotor principal al vapor; las ruedas dentadas no disponen de ningún tipo de energía, salvo rozamiento.
Es necesario que las holguras de movimiento sean pequeñas, (las óptimas para cada tipo de máquina), con el fin de evitar fugas o filtraciones de vapor desde la cavidad de escape hacia regiones donde las presiones sean más bajas.
– Compresión: Al continuar la rotación, las cámaras una vez se han llenado completamente, se cierran y separan de la cavidad de aspiración mediante un diente perteneciente a la otra rueda dentada, reduciendo progresivamente su volumen, comprimiendo así el vapor.
– Escape: En un instante determinado, las cámaras de trabajo con volúmenes decrecientes y presiones crecientes, se pone en comunicación con la lumbrera de escape, cesando la compresión y produciéndose la expulsión del vapor hasta que el volumen V2 queda reducido a cero.
La velocidad del fluido a la entrada y salida del compresor helicoidal se incrementa según el cuadrado de sus dimensiones, mientras que el flujo de fluido frigorígeno se incrementa con el cubo de sus dimensiones. Si por ejemplo se doblan las dimensiones del compresor, las áreas de entrada y salida se multiplicarían por un factor 4 y el flujo por 8; como las pérdidas de carga son proporcionales al cuadrado de la velocidad, duplicar el tamaño de un compresor helicoidal supone multiplicar por 4 las pérdidas de carga.
Se acostumbra a montar una válvula de retención ara este tipo de compresores, evitando así el giro inverso de los rotores cuando se corta la alimentación eléctrica del motor. Esta válvula de retención está intervenida por la presión de aspiración interna del compresor, y de este modo durante el funcionamiento se mantiene abierta sin causar una innecesaria caída de presión en la aspiración del gas.
Regulacion de volumen :
– Mediante la regulación automática desplazando el tope de la corredera o quedando activada, por medio de la presión de aceite y las dos válvulas solenoides controladas por un transmisor de posición entre ambas piezas (se controla a distancia por control remoto).
Ventajas
• Pérdidas por rozamiento mecánico bajas.
• Desgaste despreciable de las partes móviles
Desventajas
• Aceite lubricante en exceso.
• Aumento de precio por utilizar materiales de fibra de carbono y teflón para evitar desgaste.
El movimiento impuesto al rotor aumenta la velocidad absoluta del vapor y posteriormente se transforma la energía cinética de la corriente en energía de presión mediante un difusor. Existen dos tipos de TC: los de flujo axial y los centrífugos ó de flujo radial.
En los compresores de flujo axial, el fluido circula en dirección paralela al eje del rotor, en tanto que en los de flujo radial el movimiento del fluido respecto al álabe es normal al eje del rotor; la relación de compresión depende del número de etapas de
compresión (rotor y estator que conforman un escalonamiento de presión), de la forma de los álabes, sobre todo del ángulo de salida β2 y de la velocidad periférica de cada rodete; sin embargo, la relación de compresión de cada escalonamiento εc oscila entre 1,25 y 1,30 y para el compresor completo entre 15 y 20.
En los compresores de flujo radial se puede obtener, por escalonamiento, una relación de compresión de hasta 3. El compresor de flujo axial se emplea únicamente cuando la masa de gas a comprimir es extraordinariamente elevada y por eso no se suele utilizar en el campo de la refrigeración.
