Funcionamiento de un Compresor
El espacio, que mecánicamente es necesario para prevenir que no llegue a tocar el pistón contra la cabeza del cilindro con graves consecuencias, se denomina “espacio muerto”.
Normalmente representa un 4 ó 5% de la carrera del pistón y es imprescindible para prevenir el juego en el ajuste, así como las dilataciones producidas por el calor desarrollado en el trabajo de compresión sobre las piezas en movimiento, pistón, biela, cigüeñal.
En el pistón que empieza su carrera descendente, la válvula de descarga se cierra, pero la válvula de aspiración no podrá abrirse hasta que, la presión del gas contenido en el «espacio muerto» sea igual a la suma de la presión de aspiración o más la de los muelles de fijación de la válvula de aspiración sobre su asiento.
Por tanto, al efecto muerto es contraproducente, porque ocupa un volumen que habrá de estar disponible para aspirar gases nuevos procedentes de aspiración.
Ciclo de un Compresor
Lo dicho hasta ahora al completar un giro completo del pistón, lo podemos representar gráficamente sobre un diagrama en el que en ordenadas representemos las presiones y en abcisas los volúmenes, obteniéndose el ciclo característico, que al igual que en cualquier motor térmico es un ciclo de Carnot formado por dos curvas isotérmicas y dos adiabáticas.
Teóricamente su representación sería:
En el punto 1 el cilindro está lleno de vapor refrigerante a la presión de aspiración P0 . Sube el pistón reduciendo su volumen y aumentando la presión, hasta llegar al punto 2 en el que se abre la válvula de descarga y deja salir todo el refrigerante hasta quedar con volumen cero.
Empieza la carrera descendente, la transformación en el interior del cilindro del punto 3 al 4 es instantánea al ser el volumen cero y la válvula de aspiración abre al llegar al pun to 4, permitiendo la entrada de vapor refrigerante hasta llegar al punto 1.
Sin embargo, el ciclo real trazado con la ayuda de un indicador de Walt difiere un poco del teórico, motivado precisamente por el espacio muerto y por los elementos mecánicos de fija-ción de las válvulas a sus asientos.
Como diferencias más sobresalientes con respecto al ciclo teórico, podemos mencionar:
- La cresta «a» en la fase de compresión, donde es preciso aumentar la presión para lograr vencer la resistencia de la válvula de descarga a ser abierta, siguiendo después por encima de la presión P hasta alcanzar el punto 3.
- La evolución 3-4 que representa el gas que quedó dentro del espacio muerto.
- La depresión «b» en la fase de aspiración, donde es preciso disminuir la presión en el cilindro por bajo de la presión Po para vencer la resistencia de la válvula de aspiración a ser abierta.
El paso de «b» al punto 1 que está más alto mediante una curva de gran radio se debe al calentamiento que sufre el gas al contacto con las paredes del cilindro.
Eficiencia Volumétrica
La relación entre el volumen efectivo bombeado y la cilindrada recibe el nombre de eficiencia volumétrica.
Para un compresor en particular con una carga y una cilindrada dada la eficiencia volumétrica depende de dos factores principales:
- Espacio muerto:
Consideremos un ciclo del compresor:
Variando el espacio muerto V, podemos observar como cuando este es mayor V el volumen efectivo aspirado V es menor. Si por el contrario disminuimos el espacio muerto, haciéndolo Vo , el volúmen efectivo aspirado Ve” aumenta por tanto la eficiencia volumétrica.
- Presiones de trabajo.
Si conservando el espacio muerto y la presión P: , variamos la presión de descarga obtenemos:
Que la presión P aumenta hasta llegar a volumen efectivo aspirado V disminuye y por tanto disminuye también la eficiencia volumétrica. Por el contrario, si disminuimos la presión. Pi a Vi” , el volumen efectivo aspirado V aumenta.
Hay otros factores que motivan el que el volumen real bombeado por un compre sor, no sea exactamente igual al volumen efectivo que aparece en el ciclo del compresor y que fácilmente podría ser calentado termodinámicamente; entre otros podríamos enumerar:
- Pérdidas de gas por defectos de ajuste de válvulas o pistones.
- Recalentamiento de los gases aspirados cuando se ponen en contacto con las paredes del cilindro; lo que motiva una dilatación del mismo y por tanto deja de aspirar gas procedente del evaporador.
- Hay aceite refrigerante en las paredes de la camisa y en la superficie del pistón que está reduciendo el volumen de aspiración.
- El aceite contiene siempre gas disuelto que se evapora en contacto con las paredes de la camisa.
Debido a que todos estos factores no pueden tener una expresión matemática, todo fabricante de compresores tiene sus curvas de eficiencia volumétrica media, medida en banco de pruebas de manera experimental y por muestreo, en función de la relación de compresión.
Relación de compresión= Presión absoluta de descarga/Presión absoluta de aspiración.
Conclusiones:
El Aumento de la diferencia entre la presión de descarga y la de aspiración, disminuye la eficiencia volumétrica.
Capacidad frigorífica de un compresor
Hasta ahora solo hemos hablado de volúmenes de gas refrigerante, hemos de tener en cuenta que lo que realmente produce el enfriamiento en el evaporador es la cantidad, la masa de refrigerante evaporado.
La capacidad de un compresor depende, por una parte del volumen horario bombeado y por otra del calor latente de vaporización del refrigerante empleado.
Ahora bien, el calor de vaporización no se emplea todo él en producir un efecto frigorífico a la temperatura de evaporación del líquido, sino que, parte de él sirve para enfriar el líquido desde la temperatura de condensación hasta la de evaporación, aprovechándose sólo, la diferencia de entalpías entre el vapor y el líquido, para producir el efecto frigorífico.
Control de Capacidad
Debido a que en una instalación de aire acondicionado la carga térmica a vencer en el local a acondicionar, sufre variaciones muy importantes, es preciso que la potencia frigorífica suminis¬trada por el compresor sea la que realmente precisa el sistema.
Los metodos comúnmente empleados son:
Control todo-nada
Se hace parar o arrancar el compresor en función de la demanda de un termostato dispues¬to en el ambiente a acondicionar.
Se emplea en el caso de pequeñas instalaciones yen locales donde la carga térmica no sufre grandes variaciones y esta no tiene grandes diferencias con respecto a la potencia frigorifica del compresor.
Si la carga térmica es pequeña con respecto a la potencia frigorífica del compresor, se produce arrancadas y paradas constantes del compresor que llevan consigo un sobrecalentamíento del motor fogueado de los contactos. del contactor de arranque y caidas de tensión en la ínea que pueden perjudicar a otros equipos conectados a la misma
Compresor a varias velocidades
Al ser la capacidad frigorífica proporcional a la velocidad de giro, en aquellos casos en que las cargas térmicas sean estacionarias y con pequeñas variaciones se hace variar las revoluciones del compresor.
Esta variación se puede conseguir bien con el empleo de un motor con dos velocidades por variación del número de bobinas estatóricas del motor o por la incorporación de un variador de velocidad entre el motor de accionamiento y el compresor.
Este sistema se emplea poco, motivado principalmente porque la re lación entre precio y prestaciones es totalmente desfavorable.
Compresores multiples
Empleando dos a más compresores se consigue que a carga térmica parcial sólo funionen el número de compresores capaz de vencer dicha carga.
Logicamente es un metodo caro, pero en aquellas instalaciones en las que se requiere una seguridad en funcionamiento porque un fallo en el equipo puede significar riesgos económicos, es aconsejable este sistema.
Comunicación del gas bombeado con aspiración
Es el sistema más empleado y se pueden distinguir dos variantes:
- Comunicación por levantamiento de las válvulas de aspiración del cilindro por lo que el gas no sufre ninguna compresión, pues está comunicado el interior del cilindro con el colector de aspiración (compresor tipo FEDDERS).
- Comunicación de la válvula de descarga del cilindro con el colector de aspiración. Al ser iguales las presiones en la válvula de aspiración y descarga no existe ningún trabajo real de compresión, pero existe un trabajo adicional que es el opuesto por las válvulas a ser abiertas (compresor tipo GRASSO), aunque este es mínimo.
El mecanismo capaz de conseguir la apertura de la válvula de aspiración se denonima «descargador». Consiste en una camisa deslizante que en función de si se le manda aceite o no, hace que la válvula esté en su asiento o levantada, o sea, es condición que haya presión de aceite para que el cilindro bombee el gas a través de la válvula de descarga hacia el condensador, esto es, como en el momento de la arrancada del compresor no hay presión de aceite, arrancará a capacidad reducida y por tanto el par de arranque será minimo
Como se puede apreciar hay muchos elementos en movimiento y juntas tóricas que pueden en un momento dado ser origen de anomalías en el buen funcionamiento.
Además, dependiendo del número de cilindros, el volumen a ocupar por el aceite varía y al ser igual el número de revoluciones de la bomba, se traduce en una variación de la presión de lubricación de los otros componentes del compresor.
El paso de aceite a los descargadores, que puede ser activado por la presión interna en el cárter del compresor o mediante válvulas solenoides externas será desarrollado en la exposición de los compresores FEDDERS más adelante.
Cierre de aspiración
Consiste en interrumpir el paso de gas al cilindro y al no haber gas no habrá compresión y la potencia frigorífica quedará parcializada. Se crea sin embargo, un relativo alto vacío en el interior del cilindro interrumpido, que puede producir un flujo de aceite hacia él en cacaso de que no haya un perfecto cierre de las valvulas.
By-pass entre la descarga y la aspiración
Consiste en llevar los gases una vez comprimidos y antes de que entren al condensador, otra vez a la aspiración del cilindro.
Este sistema que se emplea frecuentemente en el campo de la refrigeración para reducir la capacidad durante la puesta en marcha, no es aconsejable para la regulación de la potencia frigorífica, ya que se produce un recalentamiento excesivo de los gases, traduciéndose en un consumo de energía inútilmente desaprovechada y un aumento progresivo de la temperatura del gas en descarga y con él, todos los elementos componentes del compresor.
Otros sistemas
Aumento del espacio muerto: Consiste en añadir al espacio merto normal, una cámara adicional que puede ser variada desde el exterior.
Limitación de la carrera útil del pistón: Consiste en practicar orificios en las paredes del cilindro, que están en comunicación con el colector o la línea de aspiración, escapándose el gas por ellas durante la carrera de compresión.