Compresores Scroll

Desde hace muchos años, esta tecnología ha ofrecido ventajas significativas para la industria de la refrigeración, pero aún se desconocen sus alcances, por lo que es importante conocerlos, entre los que destacan la disminución de fallas y un excelente rendimiento

El compresor scroll ofrece un índice de fallos muy bajo
Redacción

Las grandes ventajas que ofrecen en cuanto a desempeño, volumen y rendimiento han hecho de los compresores tipo scroll uno de los equipos más usados en el sector del aire acondicionado y la refrigeración. Si bien se conocen desde hace varias décadas, sus aplicaciones y su funcionamiento aún no; por ello, en este artículo se señalan algunas de sus características para dar a conocer qué ofrecen y cómo se comportan frente a otros compresores, y, de esta manera, elegir el que más se adapte a las necesidades de los mecánicos.

Para el ingeniero Roberto Santana Cuevas, gerente Técnico para el mercado de distribución en México de la empresa Emerson Climate Technologies, experto en el sector de la climatización, un compresor tipo scroll es una máquina para comprimir gases refrigerantes mediante espirales, cuyas principales aplicaciones surgen en el aire acondicionado residencial o comercial y también en refrigeración alta, media o baja temperatura, ya sea en equipos estacionarios o en transporte. Aunque se describe a tales compresores como sólo una máquina para comprimir gases, son más que eso, el compresor es un equipo que contiene varias partes, las cuales tienen un trabajo preciso para que el ciclo de compresión se lleve a cabo de manera correcta. Consta de dos elementos en forma de espiral, uno estacionario y otro móvil, el cual gira con un movimiento orbital alrededor del centro del eje motor; ambas espirales son idénticas, pero están ensambladas con una diferencia de fase de 180 grados. El perfil de las dos espirales permite a la espiral móvil rodar sin deslizamiento sobre la espiral fija, cumpliéndose en todo momento la alineación de los centros de las dos espirales y el punto de contacto entre ambas.

El proceso de compresión del scroll se describe como un proceso de desplazamiento positivo.

Aumenta la presión del gas, reduciendo el volumen interno de la cámara de compresión mediante un esfuerzo y las celdas selladas se definen exclusivamente por la geometría del scroll y el movimiento orbital. Debido a su diseño, su dispositivo de involución en espiral presenta por sí mismo la capacidad de reducir el volumen y generar una relación de compresión determinada.

La espiral móvil orbita siguiendo la trayectoria fijada por la espiral fija y se mantiene unida a esta última gracias a la acción de la fuerza centrífuga. Así es como, desde la periferia, se van formando compartimientos de gas que son desplazados hacia el centro de las espirales, contrayéndose su volumen y aumentando la presión y temperatura hasta producirse la descarga por el centro. Habrá seis compartimentos operando permanentemente, por lo que la compresión es siempre continúa y uniforme. El movimiento orbital que describe la espiral móvil es circular, tiene la misma amplitud que el motor y se mantiene siempre con 180 grados de diferencia de fase.

El diseño en espiral permite reducir el volumen y generar una relación de compresión

Cuando está en funcionamiento, en cada posición del movimiento orbital las dos espirales entran en contacto en varios puntos, formando una serie de cámaras o celdas en forma de media luna, independientes. El giro del motor hace que las celdas se vayan trasladando de la periferia hacia el interior de las espirales, progresivamente, lo que implica una disminución continua del volumen de dichas cámaras a medida que se aproximan al centro de las espirales. En este tipo de compresores, las celdas o cámaras de compresión de geometría variable están generadas por dos espirales idénticas; la superior es fija (estator), en cuyo centro se encuentra la lumbrera de escape. La otra es orbitante (rotor), estando montadas ambas frente a frente, en contacto directo. Las espirales fija y móvil, cuyas geometrías se mantienen en todo instante desfasadas un ángulo de 180 grados, están encajadas una dentro de la otra, de modo que entre sus ejes hay una excentricidad, a fin de conseguir un movimiento orbital del eje de la espiral móvil alrededor del de la espiral fija. Durante cada revolución del motor, la masa de gas inicial se mueve hacia el centro gracias al movimiento giratorio y su volumen se reduce significativamente a medida que la celda que lo contiene se va desplazando hacia el interior de las espirales.

Ofrece bajo nivel de ruido, mayor eficiencia y menor consumo de energía

La compresión
El proceso de compresión se inicia en dos celdas, de forma que cada una se corresponde con el extremo exterior de una de las dos espirales, existiendo pares de celdas simétricas. La compresión termina cuando el gas es comprimido a la máxima presión y escapa a través de un puerto de descarga localizado en la celda más profunda; en la descarga se juntan las porciones de gas que han sido aspiradas por uno y por otro lado de las espirales. La duración de este proceso es de varias revoluciones, por lo que en todo momento existen dos celdas opuestas del mismo tamaño, obteniéndose así un ciclo de compresión casi continuo que genera muy pocas vibraciones, fijándose exclusivamente en el conjunto (árbol motor-rotor).

Con cada giro de 360 grados del árbol motor se imprime a la espiral inscrita en el plato, o rotor excéntrico, los dos movimientos siguientes:

• Uno de rotación de 360 grados alrededor de su eje, (que tendría lugar igualmente si el valor de e fuera nulo)
• Otro simultáneo de traslación paralela a sí misma, alrededor del eje del árbol motor (que no se produciría si el valor de e fuese nulo)

Ventajas
Entre las ventajas que ofrecen los compresores scroll contra los equivalentes reciprocantes, el ingeniero Santana menciona que existen muchísimas, pero entre las más importantes se encuentran el bajo nivel de sonido, mayor eficiencia, menor consumo de energía, más confiabilidad porque contienen menos partes móviles, menor peso y tamaño, además de una eficiencia volumétrica de 100 por ciento. A estas condiciones que menciona el experto, las cuales favorecen a los compresores scroll, se puede agregar otra larga lista de beneficios encontrados por los fabricantes y usuarios de este tipo de compresores, quienes ya han probado los beneficios de estos sistemas:

• Elimina la necesidad de usar un gran volumen de aceite como sellador
• El contacto físico entre las espirales elimina los espaciamientos y reduce las fugas
• Máquinas silenciosas y de baja vibración. El ruido generado por un compresor scroll es relativamente independiente de la pulsación de gas y está generalmente asociado sólo con los dispositivos mecánicos reales del compresor
• En el caso de compresores scroll para aire acondicionado no existe válvula de descarga interior, lo cual ayuda a reducir el ruido al eliminar los cambios abruptos de flujo. Mientras que en los compresores para refrigeración se usa una válvula para mejorar la eficiencia a bajas condiciones de evaporación, diseñada especialmente para minimizar su impacto sobre ruido del compresor
• La vibración del compresor se minimiza con el uso de contrapesos balanceados dinámicamente y al utilizar un proceso de compresión continua, también se minimiza la pulsación de torque asociada
• No es necesario emplear una cubierta con el propósito de ubicar el ensamblaje del scroll en forma precisa dentro del compresor
• Tienen la capacidad de conformidad, esto significa que las espirales pueden alinearse por sí mismas libremente durante la operación del compresor, lo cual permite que las espirales se separen ligeramente ante los excesos de presión asociados con la presencia de un alto volumen de líquido
• Elevado rendimiento volumétrico para todas las condiciones de funcionamiento que pueden presentarse, esto sucede gracias a la inexistencia de espacio muerto perjudicial. Tienen un menor desplazamiento o tamaño, comparado con el necesario para un compresor alternativo de la misma potencia frigorífica
• Ausencia de válvulas de admisión y escape, así como de segmentos que elimina posibles retrasos en su apertura o inestanqueidades
• Excelente adaptabilidad axial y radial
• Variaciones del par motor menores que en un compresor alternativo, disminuyendo los esfuerzos a los que está sometido el motor y las vibraciones
• Ausencia casi total de pulsaciones
• Elevada fiabilidad de funcionamiento, lo que se traduce en un bajo índice de fallos
• Pequeño número de partes móviles, un 60% menos que en un compresor alternativo
• Ausencia de válvulas
• Buena resistencia frente a los esfuerzos causados por la llegada al compresor de líquido y / o partículas sólidas (suciedad)
• El desgaste experimentado por las superficies espirales en contacto es mínimo
• Tamaño y peso pequeño, entre un 15 y 40 % menor que el de uno alternativo, respectivamente

Los compresores también cuentan con algunos contras, entre ellos se menciona el hecho de no estar inherentemente equilibrado, al contrario de lo que sucede con los compresores de tornillo. A presiones de escape altas, las dos espirales, la estacionaria y la orbital tienden a separarse debido al empuje generado por la presión interna del vapor; esto se traduce en un aumento de las holguras, lo que a su vez reduce el rendimiento del compresor. Sin embargo, ante esta desventaja algunos fabricantes utilizan espirales compensadas en presión, haciendo gravitar la presión de alta o una intermedia en el reverso de al menos una de las espirales.

Los compresores Scroll ofrecen menor ruido y vibración que un compresor alternativo

Aire acondicionado vs refrigeración
Aunque los compresores se utilizan para ambas aplicaciones, se debe considerar que existen algunas diferencias al respecto. El ingeniero Santana comenta: que “operacionalmente son iguales y las diferencias son internas. Los compresores scroll para refrigeración en media y baja temperatura, a diferencia de los de aire acondicionado, cuentan con un motor más reforzado, ya que a estas temperaturas los gases tienen mayor densidad y el compresor debe hacer más esfuerzo a fin de comprimirlo, lo que incrementa la relación de compresión (RC) y la temperatura en la descarga. Específicamente, en los compresores scroll para bajas temperaturas se debe aplicar enfriamiento a las espirales mediante inyección de refrigerante líquido a baja presión para mantener la temperatura de descarga dentro del rango normal de operación y evitar daños al compresor”. Respecto de este punto, la temperatura de descarga no es el único problema que se puede encontrar a bajas temperaturas de evaporación y a elevadas temperaturas de condensación; también hay relaciones de presión significativamente más altas, las cuales pueden causar un aumento del estrés sobre los elementos del scroll. Dichos aumentos de la proporción de compresión también pueden afectar el puerto de descarga, generando un flujo de retorno hacia el scroll que puede afectar el consumo de energía significativamente, ya que produce la recompresión de una porción del gas de descarga. Una de las modificaciones incorporadas al scroll de refrigeración es el “mecanizado especial para elevadas relaciones de compresión” (HCR), que genera un fuerte incremento de la fuerza e incluso una reducción en el volumen final de descarga, provocando un aumento en la relación de volumen e inherentemente en la relación de compresión.

Otra modificación es el uso de una válvula dinámica de descarga para controlar el reflujo, diseñada con el objetivo de reducir el reflujo sin crear restricciones u obstrucciones adicionales en la vía, además, se combina con un puerto de dimensiones reducidas para las condiciones de bajas temperaturas de evaporación y el flujo de baja masa resultante, Figura 6. Adicionalmente, el uso de los esquemas de inyección de vapor y de inyección de líquido suelen utilizarse para aumentar el rango de operación; ambas también crean la necesidad de usar conexiones externas, tubería interna adicional y puertos de inyección.

Elección y mantenimiento
Para hacer una buena selección de un compresor scroll se deben tener las mismas consideraciones que para otros tipos de compresores, indica Santana; tales como la aplicación, el tipo de refrigerante, las temperaturas de evaporación y condensación, la capacidad en unidades térmicas BTU / h, Kcal / h, toneladas de refrigeración o kW), el voltaje y número de fases. Así como las medidas y tipos de conexiones.

Como en todos los equipos de climatización, es necesario mantenerse al pendiente del rendimiento y la vida útil de los equipos, ya que de esto dependerá el buen desempeño de todo el sistema. Sobre los compresores scroll, el experto de Emerson señala que el mantenimiento es igual que para los otros tipos de compresores herméticos; es decir, casi no requieren mantenimiento, siempre y cuando el compresor esté bien seleccionado y el sistema opere dentro de los valores de presiones y temperaturas normales. “El sistema debe estar balanceado para que la misma cantidad de aceite que sale por la descarga regrese al compresor por la línea de succión, a fin de que siempre mantenga el mismo nivel. Es importante que el compresor se encuentre protegido eléctricamente y contra contaminantes con un filtro-deshidratador en la línea de succión y / o un acumulador de succión para evitar daños debidos al regreso del refrigerante líquido. “Es recomendable que periódicamente se revise el nivel de aceite, la acidez, temperatura de descarga y reapretar los bornes de las terminales eléctricas para evitar falsos contactos”, menciona.

¿Qué hay sobre las principales fallas que se pueden presentar en este tipo de equipos? Al respecto, el ingeniero comenta que la mayoría de los compresores fallan debido a problemas del sistema, dichas fallas pueden tener origen mecánico o eléctrico.

Las fallas mecánicas más comunes son generadas por el refrigerante líquido entrando al compresor, ya sea cuando el compresor está en operación o en los ciclos en que se encuentra apagado), el recalentamiento y los problemas de lubricación.

Por su parte, las de tipo eléctrico son a causa de los contactores defectuosos, el desbalance del voltaje en motores trifásicos y la mala conexión o instalación del kit de arranque en motores monofásicos. Es en estos puntos donde se debe tener mayor cuidado.

Un poco de historia
Actualmente, los compresores tipo scroll son reconocidos en el mercado de la refrigeración y el aire acondicionado, aunque pocos tienen idea de hace cuánto tiempo surgió esta tecnología.

Fue descrito y patentado en 1905 por el francés Leon Creux, en Francia y Estados Unidos. Creux inventó el compresor como un concepto de máquina de vapor rotatoria, pero la tecnología de fundición de metales de la época no estaba suficientemente avanzada para la construcción de un prototipo de trabajo, ya que un compresor scroll exige tolerancias muy ajustadas para funcionar eficazmente, así que su concepto fue olvidado rápidamente, porque según expertos, en aquella época no existía la tecnología suficiente con el propósito de continuar con la producción.

Fue casi 70 años después cuando Niels Young retomó el concepto y propuso la idea a Arthur D. Little, en Cambridge, Masschuset, y así se volvió a utilizar la tecnología scroll para compresores de aire acondicionado.

Para 1973 se desarrolló un modelo viable de tales compresores, pues ya habían descubierto que éstos ofrecían mejorar la eficiencia de los compresores, ya que en comparación con los alternativos tenían:

• Mejor eficiencia
• Mayor fiabilidad
• Funcionamiento suave
• Menor ruido

Así se comenzó a introducir el compresor scroll en los equipos de climatización y refrigeración. A finales del mismo año, Arthur D. Little y la compañía Trane comenzaron el desarrollo de los compresores tipo scroll para refrigeración, llegando a usar finalmente esta tecnología en sus productos y revolucionando el mercado.

Su desarrollo continuó, sobre todo, en Japón y en Estados Unidos, siendo las empresas Hitachi y Mitsui Seiki, en Japón, las que introdujeron los compresores scroll para aire acondicionado lubricados con aceite, aunque dichas unidades eran simples adaptaciones de sus compresores de refrigeración.