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Criterios para la eleccin del compresor frigorfico

Fecha de Publicación: 24/5/2013

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Introduccin

La informacin adjunta est pensada para aquellas personas que, no siendo especialistas en fro, intervienen en la eleccin del sistema de refrigeracin y en particular del compresor frigorfico. Olvidaremos ciertos detalles ms propios de un articulo tcnico que defina las propiedades y funcionamiento mecnico de cada compresor y nos ceiremos a los hechos que son ms discutidos en la actualidad y que forman parte de la argumentacin diaria.

El compresor

El compresor frigorfico es la parte ms importante del sistema ya que es el encargado de mover el refrigerante entre nuestro elemento a enfriar y el elemento receptor de esta energa, por tanto podemos decir que es el motor del sistema y sin l cual sera imposible el transporte de dicha energa.

En cualquier diagrama frigorfico se puede observar la posicin que ocupa el compresor dentro de un sistema convencional compuesto por un condensador, una vlvula de expansin y un evaporador. Evidentemente, en el caso de fallo total de alguno de estos elementos, el sistema tambin dejara de funcionar pero la experiencia demuestra que esto ocurre en muy contadas ocasiones, ya que tanto el evaporador como el condensador se componen de tubos y por tanto, sus posibilidades de fallo son limitadas.

Igualmente la vlvula de expansin, aunque se compone de ms elementos, no suele ser un problema. Por ltimo, en el caso de un sistema por bombeo de refrigerante siempre existe una bomba de reserva con lo que deja de ser un componente crtico para el buen funcionamiento del sistema.

El compresor sin embargo, es la parte del sistema que cuenta con ms elementos en movimiento y por tanto susceptibles de romperse, de hecho, es el responsable de la mayora de los problemas que provocan paros en la produccin y tambin es el responsable del consumo de la mayora de la potencia elctrica de la instalacin frigorfica y por tanto, es un elemento que debe ser conocido en profundidad para asegurar con ello una correcta eleccin.

Los Modelos

Los modelos incluidos en el grfico se encuentran ordenados por m3. Todos los modelos de una o dos letras son compresores alternativos, el resto son compresores de tornillo.

Como se puede observar en el grfico, el nmero de posibilidades en un solo fabricante es importante, si adems esto lo multiplicamos por el nmero de fabricantes, la eleccin del compresor frigorfico se convierte en un autntico problema, especialmente si adems de las caractersticas mecnicas de estos compresores, tambin tenemos en cuenta todas aquellas razones que podramos definir como subjetivas, pero que muchas veces pesan tanto o ms que el mero anlisis tcnico.

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Partes Implicadas en la Eleccin

Desgraciadamente no existe un mtodo infalible para la correcta eleccin del compresor frigorfico ya que como podemos observar son muchas las partes que intervienen y por tanto, muchos los puntos de vista. En cualquier caso, y tal y como veremos a continuacin, existen ciertos conceptos que ayudan y deben ser tenidos en cuenta.

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Prioridades

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Los pilares fundamentales para una correcta eleccin podramos definirlos y ordenarlos del modo que se refleja:

  • Fiabilidad mecnica: Evidentemente, lo que quieren todas las partes implicadas en la eleccin de un compresor es que ste no se rompa ya que de suceder esto, el ms afectado sera el cliente final al que no slo se le rompe un compresor sino que tambin se le para toda la lnea de produccin. En consecuencia, el cliente final reclamar al instalador y ste al proveedor y ser para todos ellos un gran problema. Por tanto, un compresor debe ser fiable y funcionar correctamente.

  • Rendimiento energtico: Una vez que tenemos la seguridad de que el compresor es robusto, nuestra principal preocupacin debera ser el consumo de energa elctrica que el compresor necesita para producir el fro que demanda el cliente final. No olvidemos que el compresor se paga una vez pero la energa que ste consume, se pagar por cada minuto que funcione. En algunos casos, las diferencias de consumo elctrico entre los compresores disponibles en el mercado son muy importantes sobrepasando incluso el 15%. Por tanto, este factor debe ser tenido en cuenta.

Hasta aqu el cliente final presupone que todas las opciones encima de la mesa cumplen con estos requisitos. Un anlisis ms profundo nos demostrar que tambin existen ciertos matices que hacen de la diferencia entre opciones un punto muy importante a tratar.

  • Precio: Este factor, suele ser situado errneamente en primer lugar por ser la principal preocupacin del que realiza la inversin pero si tenemos en cuenta las diferencias de precios entre las distintas opciones del mercado y la incidencia que stas tienen en el funcionamiento del sistema, seguro que concluimos que no merece la pena situar el precio en el primer lugar. Dicho de otro modo, el negocio se hace con la produccin, no con el ahorro en la inversin.

Opciones

Antes de entrar en ms consideraciones, definamos los dos compresores ms empleados en el sector del fro industrial, y el objeto de nuestras dudas.

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Compresor Alternativo

Actualmente el mximo numero de pistones es de 8 (9 en algn caso). Antiguamente, estos compresores tenan hasta 16 pistones pero dejaron de fabricarse con la entrada del compresor de tornillo del cual se pens errneamente, que podra desbancar al compresor alternativo en todos los frentes y de hecho, se emplearon masivamente en el rango de 80 a 4.000 m3/h. En la actualidad, se aprecia una recuperacin importante de los compresores alternativos de hasta 400m3/h as como la vuelta a filosofas, que algunos consideraban obsoletas, tales como el accionamiento por correas, que como veremos ms adelante, cuenta con indudables ventajas.

Ventajas del Compresor alternativo:

  • Precio hasta un 50 % ms barato que su equivalente en compresor de tornillo.

  • Mantenimiento frecuente pero sencillo y conocido por prcticamente todo el personal mecnico: El mantenimiento de un compresor alternativo se realiza cada 10.000 horas aproximadamente y vara segn potencia y fabricante. Como norma, podemos decir que a menor potencia menor mantenimiento.

  • Sigue siendo el compresor que ms se emplea en el fro comercial.

Inconvenientes del Compresor Alternativo

  • Regulacin de capacidad por etapas.


  • Frecuentes mantenimientos: Relacin 2.5 = 1.

  • Temperaturas de descarga ms elevadas lo que implica ms consumo de aceite: Esta afirmacin se basa en los sistemas de separacin de aceite empleados con ms frecuencia. Para obtener los mismos niveles de separacin que en un compresor de tornillo es necesario que el sistema sea ms sofisticado

Compresor Rotativo de Tornillo

Este compresor es el ltimo en incorporarse al mercado de la refrigeracin y como ya se ha comentado, ha provocado un cambio en la fabricacin de compresores alternativos. Es el compresor que ms se emplea en volmenes superiores a 400m3/h.

Ventajas del Compresor de Tornillo

  • Es el compresor ms empleado en refrigeracin industrial.

  • Cuenta con menos mantenimiento: Relacin 2.5 = 1

  • Cuenta con menos partes mviles y por tanto susceptibles de problemas.

Inconvenientes del Compresor de Tornillo

  • Precio

  • Mano de obra especializada para su mantenimiento

Resumen

  • Fiabilidad mecnica: El compresor de tornillo cuenta con menos piezas en desgaste y menos mantenimiento.

  • Rendimiento Energtico: El compresor de tornillo tiene un rendimiento superior al alternativo cuando la instalacin se encuentra a plena produccin.

  • Precio: El precio del compresor alternativo es menor que el del compresor de tornillo.

Las caractersticas generales del compresor nos han permitido establecer la fiabilidad del mismo, sus pautas de mantenimiento y su vida til as como sus prestaciones.

En este punto podemos decir que finaliza lo que una gran mayora de los clientes finales llega a analizar de ambas opciones pero, como veremos a continuacin, existen otras caractersticas tcnicas que modifican en mayor o menor medida todo lo comentado y que son fundamentales para garantizar una correcta eleccin.

Otras consideraciones tcnicas

El Sistema


Ser necesario analizar el comportamiento de los dos tipos de compresores en situaciones extremas de demanda de capacidad, de forma que podamos ver con claridad cul es el compresor que menos energa consume en la situacin ms tpica del sistema que sea objeto de estudio. Por ejemplo:

  • Una central productora de cloruro de metilo entra en funcionamiento una vez al ao y se mantiene funcionando al 100% durante todo el tiempo hasta la parada anual de mantenimiento. En este caso, considerar qu compresor cuenta con mejor COP a cargas parciales es del todo innecesario. Sera ms conveniente analizar en detalle la fiabilidad mecnica del compresor y sus necesidades de mantenimiento que ya hemos analizado en el punto anterior.

  • En el caso de tratarse de un matadero frigorfico con 52 cmaras, ser necesario tener en cuenta el comportamiento del compresor a cargas parciales (adems de otras consideraciones del tipo control y regulacin de capacidad), puesto que por razones obvias no instalaremos 52 compresores.

  • Igualmente, puede ocurrir que la instalacin trabaje con dos temperaturas distintas y por consiguiente el compresor deber contar con la posibilidad de adaptarse a ambas condiciones de funcionamiento.

Con este objeto existen elementos que pueden beneficiar al funcionamiento del compresor, aumentar sus prestaciones e incluso corregir las limitaciones de diseo antes mencionadas, pero que tambin pueden perjudicar la calidad del sistema. Estos elementos se definen a continuacin:

  • Velocidad del compresor

  • Tipo de rotor empleado (tornillo)

  • Vi Variable

  • Separador de aceite

  • Diseo de la instalacin

Aumento y/o control de la velocidad: Opciones

Historia del variador de velocidad: Fue introducido en el mercado del fro industrial de la mano de una empresa ya extinguida. Los motivos de tal introduccin han sido dos:

  • Control de capacidad: El primer compresor que cont con variador de velocidad fue un compresor de tornillo cuya construccin careca de la posibilidad de modular su capacidad mecnicamente. El variador de velocidad era el nico modo de control de capacidad del que se dispona.

  • Aumento de la produccin frigorfica: como ya se ha comentado, es muy dificil resistirse a la tentacin de hacer girar el compresor al mximo de sus revoluciones para as obtener el mximo de produccin frigorfica.

Para conseguir aumentar y/o controlar la velocidad del compresor de tornillo existen tres mtodos que son los ms empleados y que se definen a continuacin:

  • Accionamiento del rotor hembra

  • Combinacin rotor hembra + variador de velocidad

  • Multiplicador en rotor de accionamiento

Accionamiento del rotor hembra

Los compresores de tornillo ms empleados en refrigeracin industrial cuentan con un rotor macho de cuatro lbulos y un rotor hembra de seis.

La tcnica ms empleada es accionar el compresor mediante el rotor macho pero, en el caso de accionar el rotor hembra, el rotor macho aumentara sus revoluciones un 50% y por tanto tambin aumentara la produccin frigorfica en un 50%.

Otra tcnica es el empleo de un rotor macho de 5 lbulos en combinacin con un rotor hembra de 7 con lo que el rotor hembra funcionar a 2.100 r.p.m., (un ~ 5% ms rpido que la opcin MYCOM).

Combinacin rotor hembra o rotor macho + variedad de velocidad

Multiplicador en rotor de accionamiento: Este mtodo consiste en actuar sobre el eje tractor utilizando una corona dentada que acciona una segunda corona. De la relacin de dimetros de las dos coronas obtendremos la velocidad final del compresor.

  • Este mtodo cuenta con ms partes en movimiento que tambin son objeto de desgaste.

  • Es el ms efectivo en cuanto al aumento de la potencia frigorfica y tambin el ms agresivo en cuanto al desgaste del compresor y su consiguiente deterioro.

  • En estos momentos se observa una tendencia al abandono de esta tcnica.

Velocidad del compresor

En el caso del compresor alternativo

Adems de la posibilidad de utilizar variador de velocidad, existe la posibilidad de utilizar el accionamiento del motor - compresor del tipo poleas, que si bien puede parecer anticuado, sigue siendo un mtodo muy eficaz para ajustar la velocidad del compresor a la produccin frigorfica necesaria. Del mismo modo que explicbamos en el caso compresor de tornillo, en un compresor alternativo tambin se presenta la posibilidad de emplear un compresor menor a mayor velocidad para la misma produccin frigorfica. El resultado sera un compresor ms pequeo, y por tanto ms competitivo en precio, pero con un mantenimiento superior.

El tipo de accionamiento y en consecuencia la velocidad del compresor se encuentran directamente relacionadas con lo que se ha definido como pautas de mantenimiento del compresor, su vida til y prestaciones, siendo fundamental considerar este detalle para una correcta eleccin desde el punto de vista mecnico.

Ventajas del aumento de velocidad y o control de capacidad por variacin de la velocidad

En un control de capacidad mecnico el compresor siempre gira a las mismas revoluciones. En el caso de control de capacidad por variacin de velocidad, estas revoluciones se reducen con la consiguiente disminucin de desgaste mecnico.

(Esta afirmacin es vlida en caso de comparar dos sistemas (mecnico y variacin de velocidad) en los que la velocidad mxima es la misma).

No debemos olvidar que el variador de velocidad puede ser empleado para ocultar un compresor pequeo a gran velocidad tratando de hacer el trabajo de un compresor ms grande.

En el caso de ser empleado como mtodo para mejorar la produccin frigorfica del sistema, deber ser contrastado con otro sistema de las mismas caractersticas, ya que lo contrario, dejara en desventaja al sistema que no lo incorpora y por tanto debe emplear un compresor ms grande, tambin ms costoso, con menos mantenimiento y ms vida til, para la misma potencia.

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El COP aumenta con la velocidad. La diferencia mxima entre una velocidad normal,(Rotor macho a 2950rpm), y una velocidad elevada, (Rotor macho a 4500rpm), es de un 3 %.

Nota: Estos datos son vlidos solo para referencia. Grfico realizado para temperaturas medias de -15/35C (N160VL-M)

Inconvenientes del aumento de velocidad

No debemos olvidar que el desgaste produce ms desgaste y por tanto aumenta de forma exponencial con la velocidad. En el grfico ser representa de forma lineal pero incluso as se puede apreciar que la vida til de un compresor funcionando a baja velocidad es muy superior que la de otras opciones.

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Para un compresor de tornillo accionado por rotor macho (2950rpm) el mantenimiento habitual se realiza a las 25000 horas.

En caso de aumentar la velocidad del rotor macho a a 9000 vueltas,(hembra accionada a 6000rpm), esto equivaldra a ms de 76.000horas de trabajo

En conclusin, el desgaste sera superior a tres veces el que se produce a 2950rpm.

NOTA:

Estos datos son vlidos solo para referencia.

Variador de velocidad = 6000rpm.

Resumen

En la mayora de los casos podramos decir:

  • NO se recomienda el aumento de velocidad
  • SI se recomienda el control de velocidad
Hasta ahora hemos hablado de la velocidad como factor determinante en el desgaste del compresor, pero existen otras consideraciones mecnicas que tambin deben ser tenidas en cuenta tales como:
  • Tipo de rotor

  • Vi variable

  • Economizador

  • Separador de aceite

  • Diseo de la instalacin

Tipo de rotor

Inicialmente todos los fabricantes de compresores de tornillo utilizaron un perfil patentado por SRM. Este perfil, si bien represent un avance importante, ha sido superado en la actualidad con desarrollos muy parecidos al original, pero que mejoran los rendimientos sustancialmente. El aumento en la produccin frigorfica, en los nuevos diseos se fija entre el 5 y el 15%, con reducciones de potencias absorbidas entre el 2 y el 5%.

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Vi Variable

Desde la proliferacin de los sistemas de cogeneracin aplicados a las industrias de gran tamao, es relativamente frecuente que una instalacin frigorfica pueda funcionar con dos temperaturas de condensacin completamente distintas. Esto es debido a que emplean el agua fra producida mediante un sistema de absorcin, en la fase de condensacin del grupo frigorfico, obteniendo de este modo, un considerable ahorro energtico derivado de la reduccin de la presin de condensacin. En cualquier caso, este ahorro no sera todo el posible si no se vara el Vi del compresor.

Que es el Vi? : De una forma sencilla podramos decir que el Vi es la parte del compresor que ajusta al mismo a las condiciones de trabajo necesarias en cada caso. Si no se selecciona el Vi adecuado podemos consumir ms energa de la necesaria al comprimir el gas a una presin distinta de la requerida.

En la imagen, el Vi es la pieza que prolonga a la corredera o vlvula de capacidad, adaptando su longitud a la relacin de compresin necesaria.

Evidentemente, en el caso de contar con Vi ajustable automticamente, puede presentarse una situacin de desajuste que nos lleve a trabajar todo el tiempo con un Vi incorrecto. Esto es difcil de observar ya que no existe un sistema de alarma que detecte dicho desajuste. Normalmente siempre son detectados en las revisiones anuales de mantenimiento y por tanto susceptibles de funcionar largos perodos incorrectamente. Igualmente la variacin de la relacin de compresin en los sistemas convencionales, no justifica un ajuste constante del Vi.

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Las diferencias de COP entre el Vi correcto y el Vi desajustado se encuentran entorno al 5 %.

Nota: Estos datos son vlidos solo para referencia.

Grfico realizado para temperaturas medias de -15/35C (N160VL)

En resumen, el compresor, si el sistema lo requiere, debe contar con la posibilidad de variar el Vi, ya que incide directamente en el rendimiento energtico del sistema pero ste deber ser variable manualmente, para evitar desajustes que podra convertir esta ventaja en un inconveniente.

Economizador


Economizar en la compresin consiste en comprimir el gas a la presin en que este se produce.

En el esquema se representa un economizador "close flash" que subenfra el lquido antes de la expansin reduciendo la cantidad de gas que se producir en la expansin al ser menor la diferencia de temperatura entre la entrada de la vlvula de expansin y la temperatura correspondiente a la presin de evaporacin.

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Las diferencias de COP entre dos sistemas, con o sin economizador, se encuentran entorno al 6 %.

Nota: Estos datos son vlidos solo para referencia.

Grfico realizado para temperaturas medias de -15/35C (N160VL-M)

Separador de aceite

En el caso de los compresores de tornillo, el aceite cumple una funcin de vlvula de cierre entre los rotores, sin la cual no sera posible conseguir la mxima eficiencia en la compresin del gas. En consecuencia existe un contacto muy estrecho entre el aceite y el refrigerante el cual hay que eliminar en la salida del gas del compresor.

En el caso de los compresores alternativos y tal y como se coment anteriormente, tambin es un problema delicado ya que, aunque el aceite no se encuentra en un contacto tan estrecho con el refrigerante, las temperaturas de descarga son ms elevadas y en consecuencia es ms el aceite que se encuentra en estado gaseoso y por tanto imposible de ser separado a no ser que sea previamente enfriado.

En cualquier caso, el aceite fuera de la unidad de compresin se convierte en una molestia que resta rendimiento al sistema. Por tanto el aceite debe permanecer en la medida de lo posible en la unidad de compresin. Lo que la eficiencia del separador de aceite (que siempre incorpora una unidad de compresin) debe ser facilitada por el fabricante y conocida por el usuario.

Los niveles de eficacia exigibles son de hasta 5 p.p.m. para el NH3 y hasta 10 p.p.m. para Hcfcs.

Diseo de la Instalacin

El diseo de la instalacin es determinante para la vida til del compresor as como para el consumo elctrico. A continuacin se citan algunas de las normas que dicta el sentido comn pero que sin embargo se incumplen con ms frecuencia.

  • Un compresor sobredimensionado es un compresor que funcionar a cargas parciales ms tiempo de lo necesario y por tanto con un peor rendimiento energtico. El nmero de arranques ser ms elevado aumentando el consumo elctrico y el esfuerzo mecnico.

  • Igualmente es necesario mencionar que es mejor evaporar 1C ms bajo y almacenar fro en cmaras que en ese momento no lo solicitan, que tener el compresor parcializado, ya que la prdida de rendimiento es menor.

Ejemplo: Instalacin frigorfica con un compresor de tornillo que atiende a dos cmaras.

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En el grfico se puede observar que la diferencia de COP es muy importante llegando a suponer un 27%.

Nota: Estos datos son vlidos solo para referencia.

Grfico realizado para temperaturas medias de -15/35C ( N160VL-M)

Si tenemos en cuenta que la energa que almacenamos en la cmara que no solicita fro, es una energa que no se pierde, concluiremos que es mejor, siempre que el producto y el sistema lo permita, almacenar energa que reducir capacidad de compresor.

Resumen final

Una forma de terminar este artculo tcnico es recordando que las observaciones realizadas en el mismo son vlidas para el que suscribe y se hacen con la intencin de compartir un punto de vista con todos aquellos que se encuentran involucrados en la seleccin del compresor frigorfico. Suponemos que habr otras opiniones, quizs encontrada, y estamos seguros de que tambin sern vlidas. Por tanto confiamos en que el lector encuentre de utilidad esta informacin y le ayude a juzgar por si mismo y decidir en funcin de sus necesidades.


Por: Jos Ramn Botana