Regulación y protecciones del sistema
Curso: Refrigeración
Introducción
Considerado como el corazón de cualquier sistema frigorífico, el compresor juega un papel crucial al bombear el refrigerante a través de los distintos componentes del sistema. Es el elemento más costoso de la máquina y responsable de la mayor parte del consumo de energía, usualmente más del 80%. Generalmente, estos compresores son impulsados por motores eléctricos, lo que subraya su importancia en el rendimiento energético general del sistema de refrigeración.
Los compresores vienen en distintas configuraciones, cada una con sus propias características y aplicaciones específicas. Los cinco tipos más comunes de compresores utilizados en las máquinas de producción de frío son:
- Compresor a Pistón (Alternativo): Este tipo de compresor utiliza uno o varios pistones movidos por un cigüeñal para comprimir el refrigerante. Es conocido por su eficiencia y capacidad de generar altas presiones, lo que lo hace ideal para aplicaciones de tamaño pequeño a mediano.
- Compresor Scroll: Conocido también como compresor espiral, utiliza dos espirales, una fija y otra móvil, para atrapar y comprimir el refrigerante. Destaca por su funcionamiento silencioso y alta eficiencia, siendo adecuado para aplicaciones residenciales y comerciales.
- Compresor Rotativo: Este tipo emplea un rotor con palas para comprimir el refrigerante. Ofrece un buen equilibrio entre costo y eficiencia, siendo una opción común en sistemas de aire acondicionado domésticos y pequeños sistemas comerciales.
- Compresor de Tornillo: Utiliza dos tornillos helicoidales que, al girar, capturan y comprimen el refrigerante. Es muy eficiente en aplicaciones de gran capacidad y se usa comúnmente en sistemas industriales.
- Compresor Centrífugo: Funciona mediante la aceleración del refrigerante con un impulsor giratorio, seguido de una desaceleración que produce la compresión. Es más eficiente en grandes aplicaciones y se destaca en sistemas de refrigeración de gran escala como los utilizados en instalaciones industriales y grandes edificios.
Cada tipo de compresor tiene sus ventajas y se adapta a diferentes necesidades, desde sistemas domésticos hasta aplicaciones industriales de gran escala. La elección del compresor adecuado es fundamental para garantizar la eficiencia, fiabilidad y sostenibilidad de todo el sistema de refrigeración.
Compresores a pistón
Dentro del mundo de la refrigeración y climatización, los compresores desempeñan un papel crucial, siendo el corazón de cualquier sistema frigorífico. Entre los diferentes tipos de compresores, los compresores a pistón destacan por su versatilidad y eficiencia. Estos compresores utilizan uno o más pistones mecánicos para comprimir el refrigerante y son conocidos por su capacidad para alcanzar altas presiones, lo que los hace ideales para una amplia gama de aplicaciones, desde sistemas domésticos hasta industriales.
Existen principalmente tres categorías de compresores a pistón basadas en su construcción y diseño, cada una adecuada para necesidades específicas y ofreciendo distintos beneficios en términos de accesibilidad, mantenimiento, rendimiento y costo. Estas categorías son:
- Compresores a Pistón de Construcción Abierta: Estos compresores se caracterizan por tener un eje que se extiende fuera de la carcasa, permitiendo una amplia gama de opciones de acoplamiento con diferentes tipos de motores. Son apreciados por su accesibilidad para el mantenimiento y la posibilidad de ajustar su rendimiento de acuerdo a las necesidades del sistema.
- Compresores de Construcción Semihermética: Encerrados en carcasas con tapas de acceso, estos compresores combinan las ventajas de la protección hermética con la posibilidad de realizar inspecciones y reparaciones. Son una opción común en la refrigeración comercial y los sistemas de aire acondicionado de tamaño mediano.
- Compresores de Construcción Hermética: Conocidos por su diseño sellado, estos compresores integran el motor y el compresor en una sola unidad cerrada. Ofrecen un funcionamiento silencioso y son económicos, pero a costa de la capacidad de reparación y mantenimiento.
En las siguientes secciones, exploraremos en detalle cada uno de estos tipos de compresores a pistón, destacando sus características únicas, aplicaciones y consideraciones operativa
Compresor a pistón de construcción abierta
Los compresores de pistón de construcción abierta se diferencian notablemente de los modelos semi-herméticos debido a que poseen un eje o cigüeñal que sale al exterior de la unidad. Esta característica permite acoplar distintos tipos de motores, como eléctricos, diésel o a gas, ofreciendo una mayor flexibilidad en su aplicación.
Son reconocidos por su accesibilidad, permitiendo el mantenimiento y reparación de todos sus componentes de manera más sencilla comparado con los modelos herméticos o semi-herméticos.
En estos compresores, la potencia puede regularse mediante el arranque o paro de ciertos cilindros, o alterando el régimen del motor acoplado. Típicamente, se utilizan en instalaciones que requieren potencias frigoríficas inferiores a 500 kW.
Diagrama de Mollier - Estructura
Compresor de construcción semihermético
Los compresores semiherméticos están encerrados dentro de una carcasa, la cual está equipada con una tapa de acceso para inspecciones. Su uso es común tanto en la refrigeración comercial como en sistemas de aire acondicionado, y suelen estar destinados a instalaciones con potencias frigoríficas inferiores a 500 kW. A diferencia de los modelos herméticos, estos compresores pueden ser reparados, aunque a un costo más elevado debido a su construcción más compleja.
Diagrama de Mollier - Estructura
Compresor de construcción hermetica
Los compresores herméticos, también conocidos como sellados, están construidos dentro de una carcasa metálica completamente sellada. Funcionan a velocidades que van de 1,750 a 3,500 rpm, con motores de 2 y 4 polos. Estos motores están disponibles en rangos que van desde 1/20 HP hasta 7 ½ HP, lo que los hace adecuados para aplicaciones en pequeñas y medianas empresas (PyMEs). Son equipos silenciosos y económicos, pero presentan la desventaja de ser irreparables debido a su construcción sellada.
Entre sus inconvenientes se encuentran que el fluido refrigerante y el aceite de lubricación deben ser compatibles con los materiales del motor. Además, la refrigeración del motor se realiza mediante el propio fluido frigorífico, lo cual puede calentarlo y afectar negativamente al ciclo frigorífico. En caso de avería, el compresor no permite reparaciones y puede requerir una limpieza general del circuito frigorífico. Para prevenir problemas de sobrecalentamiento, estos compresores suelen incluir dispositivos de seguridad como el Klixon, que desconecta la alimentación eléctrica en caso de sobrecalentamiento del motor.
La potencia de refrigeración de estos compresores no es regulable, a menos que se incorpore un variador de frecuencia.
Diagrama de Mollier - Estructura
Diagrama de Mollier - Estructura
Compresor Scroll
El compresor scroll representa una innovación significativa en la tecnología de compresión para sistemas frigoríficos. Este tipo de compresor se distingue por su diseño único, que incorpora dos espirales: una fija, que está adherida a la carcasa del compresor, y otra móvil. Estas espirales están desfasadas 180° entre sí. La espiral móvil, impulsada por un motor, ejecuta un movimiento orbital dentro de la espiral fija. Este movimiento especial crea bolsas de gas que se reducen progresivamente hasta desaparecer, realizando así el ciclo de compresión del refrigerante de manera eficiente y continua.
Diagrama de Mollier - Estructura
Una de las principales ventajas del compresor scroll sobre los modelos tradicionales a pistón es su menor número de partes móviles, aproximadamente un 60% menos. Esta característica reduce significativamente la fricción interna, lo que se traduce en una mayor eficiencia energética, menor producción de ruido y vibraciones reducidas. Como resultado, los compresores scroll suelen tener un Coeficiente de Performance (COP) promedio anual alrededor de 4, en comparación con el COP aproximado de 2.5 que suelen presentar los compresores a pistón.
En cuanto a la regulación de su potencia, los compresores scroll ofrecen varias opciones adaptativas. Entre estas se incluyen :
- La regulación “todo o nada”, donde el compresor opera a su máxima capacidad o está completamente apagado;
- La regulación mediante un motor de dos velocidades, que permite ajustar la capacidad de compresión según la demanda;
- La regulación por variador de frecuencia, que ofrece un control preciso y eficiente de la velocidad del compresor.
Aunque la potencia máxima de un solo compresor scroll puede ser de hasta 50 kW, es posible instalar varios de estos equipos en paralelo para alcanzar capacidades de hasta 300 kW. Esta flexibilidad hace que el compresor scroll sea una opción versátil y eficaz para una amplia gama de aplicaciones frigoríficas, desde sistemas residenciales hasta comerciales e industriales.
Compresor rotativo
El compresor rotativo pertenece a la categoría de los equipos volumétricos en el mundo de la refrigeración y climatización. Este tipo de compresor se destaca por su diseño compacto y eficiente, y se divide en dos tecnologías principales:
Diagrama Mollier - Isotermas
Compresor Rotativo a Pistones Rodantes:
En esta variante, el compresor utiliza pistones rodantes en lugar de pistones alternativos. Estos pistones rodantes giran dentro de un estator cilíndrico, creando un efecto de compresión al moverse de forma excéntrica
Diagrama Mollier - Isotermas
Compresor Rotativo de Paletas:
Este diseño incorpora un rotor con paletas que se extienden radialmente. A medida que el rotor gira, las paletas se deslizan dentro de sus ranuras, comprimiendo el refrigerante atrapado entre ellas y el estator.
En ambos tipos, el rotor está descentrado en relación con el eje del estator. Este desfase crea un espacio en el que se aísla y comprime el refrigerante, aumentando su presión de manera efectiva hasta alcanzar el nivel deseado.
Los compresores rotativos son conocidos por su capacidad de proporcionar una compresión eficiente en un tamaño compacto.
Generalmente, las potencias frigoríficas que pueden manejar estos compresores no superan los 10 kW, lo que los hace ideales para aplicaciones en sistemas de climatización individuales y unidades de aire acondicionado de pequeña escala.
La elección entre un compresor rotativo a pistones rodantes y un compresor de paletas dependerá de varios factores, como el tipo de aplicación, la capacidad requerida y las consideraciones de eficiencia energética. Ambos tipos ofrecen ventajas en términos de tamaño compacto, bajo nivel de ruido y eficiencia, lo que los convierte en opciones populares para unidades de aire acondicionado residenciales y comerciales pequeñas.
Compresor de tornillo
Los compresores de tornillo se destacan en la industria frigorífica por su versatilidad y eficiencia operativa. Estos equipos pueden funcionar en un amplio rango, desde el 10% hasta el 100% de su capacidad, manteniendo un rendimiento constante. Existen variantes tanto en diseños abiertos como cerrados, adaptándose así a diversas necesidades y configuraciones de sistemas.
El principio de funcionamiento del compresor de tornillo se basa en la compresión del refrigerante a través de un tornillo helicoidal que gira a alta velocidad, impulsado por un motor eléctrico.
Diagrama Mollier - Isotermas
Una de las mayores ventajas del compresor de tornillo es su alto rendimiento volumétrico, atribuido a la ausencia de espacios muertos, un problema común en los compresores a pistón. Esta característica le permite lograr relaciones de compresión elevadas, lo que es especialmente útil en aplicaciones que requieren altas presiones.
Además, una lubricación adecuada es esencial para mantener la estanqueidad entre las piezas en movimiento, reducir el ruido y ayudar a enfriar el refrigerante. Con una buena lubricación, la relación de compresión puede alcanzar valores de hasta 20 sin afectar negativamente al refrigerante.
En equipos de gran capacidad, se utiliza un mecanismo de regulación que ajusta la longitud del tornillo utilizada para la compresión del gas, permitiendo variar la relación de compresión según las necesidades del sistema. En los modelos más pequeños, que aún son significativamente más grandes que los compresores a pistón, la variación de la potencia se consigue modificando la velocidad de rotación del tornillo o mediante la utilización de puertos de admisión auxiliares.
Los compresores de tornillo ofrecen beneficios como un bajo desgaste y una regulación relativamente sencilla. A pesar de ser una tecnología más costosa, su uso se ha extendido a aplicaciones de menor escala, empezando a ser utilizados en sistemas con potencias a partir de los 20 kW.
Su durabilidad y eficiencia los hacen ideales para aplicaciones de refrigeración y climatización de mediana a gran escala, donde la fiabilidad y el rendimiento sostenido son críticos.
Compresor centrífugo o turbocompresor
El compresor centrífugo, también conocido en algunos contextos como turbocompresor, es un componente clave en los sistemas de refrigeración de gran escala. A diferencia de los compresores tradicionales de desplazamiento positivo, el compresor centrífugo es un dispositivo dinámico.
Está compuesto por una o más ruedas impulsoras, montadas en un eje y ubicadas dentro de una carcasa. La compresión del refrigerante se logra mediante la conversión de energía cinética a presión, un proceso similar al empleado en bombas centrífugas.
Diagrama Mollier - Isotermas
Los compresores centrífugos se distinguen por no alcanzar relaciones de compresión extremadamente altas. Sin embargo, su habilidad para manejar grandes volúmenes de refrigerante los convierte en la elección idónea para sistemas de refrigeración de gran capacidad, como en ciertas aplicaciones industriales o comerciales.
En cuanto a la selección y uso de compresores según su capacidad, la práctica habitual es la siguiente: para sistemas de menor capacidad, se prefieren los compresores de pistón (reciprocantes) y de tornillo, ambos tipos de desplazamiento positivo (volumétrico). Sin embargo, cuando se trata de aplicaciones de refrigeración con demandas de potencia muy elevadas, típicamente en el rango de cientos de kW, el compresor centrífugo se convierte en la opción más eficiente. En aplicaciones donde la contaminación del refrigerante con aceite es una preocupación, como en ciertos procesos industriales, los compresores centrífugos son una alternativa valiosa, incluso en rangos de potencia donde los compresores de tornillo podrían ser comunes.
Los compresores centrífugos son particularmente eficientes y fiables para aplicaciones de alta capacidad, y son una solución óptima para sistemas de refrigeración que requieren un manejo eficiente y eficaz de grandes volúmenes de refrigerante, especialmente en aplicaciones que exceden los 400 kW de potencia.
Resumen de los compresores
En el ámbito de los sistemas de refrigeración, la selección del compresor adecuado es un factor crucial que impacta directamente en la eficiencia, costo y fiabilidad del sistema. Cada tipo de compresor ofrece características únicas que lo hacen más adecuado para ciertas aplicaciones y rangos de potencia.
Desde los compresores de pistón, utilizados comúnmente en aplicaciones más pequeñas, hasta los potentes compresores centrífugos, empleados en grandes instalaciones, la elección depende de una variedad de factores como la eficiencia deseada, el coste, las necesidades de mantenimiento y la escala de la operación.
En el siguiente resumen, proporcionaremos una comparación detallada de los tipos principales de compresores, destacando sus eficiencias, potencias usuales, aplicaciones típicas, costos y requisitos de mantenimiento. Esta información busca servir como una guía rápida para facilitar la selección del compresor más adecuado para cada necesidad específica en el campo de la refrigeración.
Tipo de Compresor | Eficiencia | Potencias Usuales | Aplicaciones Usuales | Coste | Mto. |
Pistón (Alternativo) | Media | Hasta decenas de kW | Sistemas domésticos y comerciales | €€ | €€€€ |
Scroll | Alta | Hasta 50 kW, ampliable con unidades en paralelo | Unidades individuales, aire acondicionado residencial | €€€ | € |
Rotativo | Media - Alta | Hasta 10 kW | Unidades individuales, aire acondicionado residencial | €€ | € |
Tornillo | Alta | De decenas a cientos de kW | Sistemas industriales, refrigeración comercial | €€€€ | €€ |
Centrífugo | Alta | De cientos de kW a MW | Sistemas industriales, refrigeración comercial | €€€€ | € |
Notas:
- Eficiencia: Se refiere a la eficiencia energética en la conversión y manejo de energía para la compresión.
- Potencias Usuales: Es la gama de potencias donde el compresor se utiliza comúnmente.
- Aplicaciones Usuales: Los sectores o tipos de sistemas donde se emplea típicamente cada compresor.
- Coste: Estimación relativa del coste inicial del equipo.
- Mantenimiento: Estimación relativa del coste y frecuencia del mantenimiento necesario.
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