Compresores de Tornillo. Parte 1

ANTECEDENTES

En 1878 Heinreich Krigar of Germany desarrollo el primer compresor de tornillo, pero no es hasta 1930 que Alf Lisholm introdujo el peril de los modrenos compresores helicoidales.

Compresor Krigar

Los compresores helicoidales utlilizados en técnicas frigoríficas pueden ser de dos tipos:

a) De dos rotores, (Lysholm), que comenzaron a utlilizarse en los años 30 y están compuestos de dos husillos roscados (rotores), uno motor y otro conducido.

b) De rotorúnico, (Zimmem), que comenzaron a utilizarse en los años 60 y estan compuestos por un rotor o husillo roscado único, que engrana con un par de ruedas satélites dentadas idénticas.

CLASIFICACIÓN

El compresor de tornillo es un dispositivo de tipo rotativo y desplazamiento positivo. Existen dos variantes:

– De tornillo
– Monotornillo con satélites

COMPRESORES DE DOBLE TORNILLO

Esta integrado por dos engranajes helicoidales, o tornillos, en contacto que giran en sentido contrario. Uno de ellos, el motriz, posee lóbulos, el otro tornillo( hembra) es desplazado por el primero y presenta en su lateral canales que se corresponden con los pasos del tornillo motriz (macho). El refrigerante procedente del avaporador queda atrapado en los espacios existentes entre los dientes del tornillo hembre, dando vueltas con él y comprimiendose a medida que avanza hacia la salida, ya que el volumen disponible entre las ranuras que dajan los tornillos va disminuyendo gradualmente.

El rotor macho acoplado al motor eléctrico tiene de 4 a 5 lóbulos, mientras que el rotor hembre suele poseer 6 ó 7 cavidades.

Screw compressor dos rotores

Para asegurar el cierre hermético de las cámaras de trabajo y, por lo tanto, la separación de las cavidades de aspiración e impulsión del compresor, la sección transversal de los dientes ha evolucionado desde, un perfil circular, hasta perfiles cicloidales, en orden a mekorar el funcionamiento mecánico y dinámico de los rotores.

El perfil del tornillo conductor es convexo, mientras que el del conducido es cóncavo; el rotor conductor, conectado el eje motor, gira más rápido que el conducido en la relación, 6/4=1,5 ó 6/5=1,2.

El vapor que penetra por la cavidad de apiración, situada en uno de los extremos del compresor, llena por completo cada una de las cámaras de trabajo helicoidales del rotor conducido.

Durante el gira de los rotores, las cámaras de trabajo limitadas entre los filetes de los rotores y las superficies internas del estator, dejan de estar en comunicación directa con la cavidad de aspiración y se desplazan junto con el vapor a lo largo de los ejes de rotación.

En un momento determinado, cada cámara de trabajo se cierra por uno de sus extremos mediante uno de los cuatro dientes del rotor conductor, quedando así atrapado un volúmen de vapor V₁, que queda desconectado de la aspiración a la presión P₁(fin de la fase de admisión), comenzando la etapa de compresión; al proseguir la rotación, el volúmen se va reduciendo hsta que se pone en comunicación con la lumbrera de escape, alcanzando un vapor V₂, a la presión P₂, momento en que se produce el fin de la fase de compresión y comienzo de la de escape.

Cada una de las cámaras de trabajo se comporta como si el cilindro fuese un compresor alternativo, en donde cada diente del rotor conductor hace las veces de pistón, que primero cierra y después comprime el volumen inicialmente atrapado V₁, por lo que un compresor helicoidal no es sino un compresor alternativo de seis cilindros helicoidales, en el que se han eliminado el cigüeñal, el espacio muerto y las válvulas de admisión y escape.

Fases

Fase de” Aspiración – Transporte”

Cuando giran los rotores, el gas fluye a través de la entrada de aspiración y llena los espacios adyacentes situados entre los lóbulos. Estos espacios aumentan en longitud durante la rotación a medida que el engrane se aproxima al lado de descarga. Cuando el espacio entre los lóbulos se llena con el gas de aspiración, en toda la longitud del rotor, la conexión de aspiración se cierra y termina la fase de aspiración.

Fase de” Compresión”

Al continuar la rotación disminuye el espacio entre los lóbulos, de modo que el gas encerrado es comprimido y aumenta la presión.

Fase de” Descarga”

Cuando el rotor está en cierta posición, el gas llega a la salida de descarga, iniciándose esta fase, la cual continúa hasta que el espacio entre los lóbulos quede completamente vacío.

Pérdidas Energéticas

Para un compresor dado y un refrigerante específico, la relación de presión “PR” es constante, por lo que para cada presión de aspiración se tiene una de descarga, independiente de la reinante en condensador. Por lo que pueden producirse los siguientes casos:

p₂k; el vapor se acumula en la descarga hasta contrarestar el deficit, resultando un incremento en el trabajo de compresión y unacaída de eficiencia.

p₂>p_k; el vapor se expande en la tubería de descarga, se ha generado un trabajo mayor necesario, por lo que también resulta un descenso de eficiencia.

Screw compressor dos rotores y uno. PRESIÓN FINAL DE COMPRESIÓN (cont)

La presión p2 de diseño del compresor seleccionado no siempre es posible hacerla coincidir con la presión de condensación impuesta por la instalación frigorífica pc, por lo que se pueden dar los siguientes casos:

a) Si pc=p2 la compresión se realiza según el ciclo indicado (1-2-b-a-1), cuya superficie representa el trabajo teórico consumido por el compresor.
a) Si pc>p2 cuando el volúmen de la cámara de trabajo alcanza el valor V2 se pone en comunicación con la lumbrera de escape, produciéndose un reflujo de vapor desde la cavidad de alta presión hacia la celda de volúmen V2, que de modo casi instantáneo eleva la presión en el interior desde p2 a pcs. La entrada del volúmen (3-4) de vapor que proviene de la parte de alta, finaliza la compresión hasta pcs, objetivo que el compresor por sí solo no habría podido conseguir. Como el árbol motor sigue girando, la cámara llena de vapor a la presión pcs disminuye su volumen en la fase de descarga desde V2 hasta el vapor cero según (3-c). El área (1-2-3-c-a-1) del diagrama indicado representaría el trabajo mecánico de la compresión realizada. En consecuencia, el área (2-4-3-2) representa el trabajo adicional consumido.
c) Si pc

Inyección de Lubricantes

Los compresores de tornillo son, en general, lubricados mediante inyección directa de aceita a temperatura controlada.

La cantidad de aceite inyectada es muy elevada, ya que además de lubricar, deben proporcionar estanqueidad (evitar cortocircuitos hacia la lumbrera de admisión), y absober calor de compresión.

La inyección de aceite aumenta la potencial relación de compresión. Además de cerrar el espacio entre los rotores, el aceite iguala la temperatura de ástos y reduce con eficacia la temperatura de descarga a un valor seguro, incluso con relaciones de compresión del orden de 18.

El aceite se recupera en un separador de aceite, situado en la canalización de descarga, y es previamente enfriado, antes de su inyección en la cámara de compresión.

RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO

No todo el vapor es expulsado por el lado de alta presión, con lo que el que permanece en compresor juega un papel de volumen muerto, reexpandiéndose y limitando la entrada de vapor nuevo en la siguiente aspiración, en resumen, con estos compresores también se hace necesario tener en consideración un rendimiento volumétrico, debido al efecto mencionado y los “cortocircuitos” desde alta presión a baja, limitados la inyección lubricante que actúa de “sello”.

Antes de considerar el rendimiento volumétrico, el caudal geometricamente disponible en compresores de doble rotor:

RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO SEGÚN CEREPNALKOVSKY – CONAN

RENDIMIENTO INICIADO IDEAL

Evidentemente, el rendimiento indicado es inferior al ideal mostrado en la figura.

RENDIMIENTOS

INSTALACIÓN DOTADA DE COMPRESORES DE DOBLE TORNILLO