Visualizar cómo funciona un compresor de tornillo con doble
rotor es un poco más difícil que visualizar un compresor reciprocante. Las
ranuras helicoidales de los rotores y las formas poco habituales de los puertos
complican el panorama.
A pesar de su aparente complejidad, el compresor de tornillo
tiene relativamente pocas piezas móviles: dos rotores, cojinetes y una válvula
de corredera. La simpleza es uno de los puntos de venta fuertes del compresor
de tornillo. En este artículo se analizarán los diversos componentes del
compresor de doble tornillo.
Los rotores son el alma del compresor de tornillo. Un rotor
tiene lóbulos helicoidales y se lo denomina macho. El otro rotor tiene ranuras
de acoplamiento helicoidales y se lo denomina hembra. El diseño de rotor más
común es el perfil asimétrico 4 + 6 patentado por SRM en Suecia.
Se ha comprobado que este perfil proporciona buena
eficiencia y maquinabilidad. El diseño asimétrico minimiza las rutas de fuga a
través del engranaje del rotor y proporciona un pequeño "agujero de
soplado". El agujero de soplado es el área de fugas entre la carcasa y las
puntas del rotor en el engranaje. Cuando está en funcionamiento, el rotor macho
absorbe aproximadamente el 85% de la torsión y el hembra, aproximadamente el
15%. Por este motivo, en los compresores inundados de aceite, el compresor
macho impulsa directamente al hembra ya que un engranaje impulsa al otro. De
esta manera, sólo el 15% de la energía de entrada se transmite a través del
engranaje del rotor.
Existe una acción pura de rodamiento entre los rotores
porque se impulsan en la línea de paso. Por ello, cuando están fabricados
correctamente, no hay contacto deslizante entre los rotores y esto sirve para
minimizar el desgaste.
En la mayoría de los compresores de refrigeración de doble
tornillo giratorio, las cargas radiales son transportadas por cojinetes de
manguito, estos tienen varias desventajas. Una es que requieren cajas
maquinadas con mayor grado de exactitud (más costosas) que los cojinetes
antifricción, porque los de manguito no toleran desalineaciones. En segundo
lugar, los cojinetes de manguito consumen potencia debido al arrastre viscoso
del aceite.
Del lado positivo, sin embargo, la trayectoria de confiabilidad
de los cojinetes de manguito es excelente. Siempre que se mantenga una buena
presión de aceite y que el sistema esté relativamente limpio, la vida útil de
los cojinetes de manguito es prácticamente eterna.
El diseño más común de los cojinetes de empuje es un
cojinete de bolas dobles de contacto angular. Los cojinetes de empuje son la
conexión débil del compresor de tornillo doble y la causa más común de falla
del compresor. La carga de empuje es causada básicamente por la diferencia de
presión de descarga a succión que actúa contra el área proyectada de las caras
del rotor. La carga de empuje en el rotor macho es mayor que en el rotor hembra
porque el gas ejerce fuerza sobre el engranaje del rotor.
Por ejemplo, la carga de empuje del rotor macho sobre un
compresor de 255 mm que funciona con amoníaco en condiciones típicas es 4450
lb. Por este motivo, se utiliza un pistón de equilibrio en el eje del rotor
macho para ayudar a equilibrar la carga de empuje. Para ser efectivo, el pistón
de equilibrio depende de la presión de aceite que tiene atrás. De este modo, la
vida del pistón de empuje es muy sensible a la presión del pistón de
equilibrio. Bajo condiciones de funcionamiento normales, los cojinetes de
empuje del rotor hembra tienen una vida aceptable sin un pistón de equilibrio.
Incluso en un sistema correctamente mantenido, los cojinetes de empuje
generalmente son las partes que se desgastan primero y, en algunos casos, deben
ser considerados componentes de mantenimiento.
hay un puerto de descarga radial en la válvula de corredera
y un puerto axial en la cara del extremo. Además de la reducción de capacidad,
el puerto de descarga radial móvil mantendrá en líneas generales la relación de
volumen integrado del compresor.
Esto sólo es efectivo hasta que desciende a aproximadamente
el 75% de la capacidad total, dependiendo del diseño. Después de este punto, la
relación de volumen integrado cae abruptamente y causa la caída de la
eficiencia de la carga parcial. El motivo de esto es que el puerto de descarga
radial ya no controla el punto en el cual el gas de descarga sale de la cámara
de compresión. En comparación, el compresor reciprocante tiene una ventaja de
eficiencia sobre el compresor de tornillo para el funcionamiento con carga
parcial.
En un compresor reciprocante, la descarga generalmente se
logra manteniendo abiertas las placas de la válvula de succión; esto permite
que el gas entre y salga del cilindro pero no permite que se produzca
compresión. Se consume muy poca energía al hacer funcionar un cilindro en carga
parcial. Sin embargo, la descarga debe lograrse en pasos, mientras que el
control de capacidad en el compresor de tornillo es continuo.
Al diseñar un compresor de tornillo, se debe considerar la
velocidad de funcionamiento. La referencia que utiliza el diseñador del
compresor es la velocidad periférica del rotor macho medida en metros por
segundo (m/seg.). El rango de velocidad periférica generalmente aceptado para
compresores inundados de aceite que usan el perfil asimétrico 4 + 6 de SRM es 30
a 60 m/seg. El funcionamiento a menos de 30 m/seg. es antieconómico porque el
compresor es físicamente grande en comparación con su capacidad. Por encima de
60 m/seg., la eficiencia y la confiabilidad descienden abruptamente. Teniendo
presentes estas consideraciones con respecto a la velocidad, podemos examinar
las diversas configuraciones de mando de uso común.
Configuraciones de mando
Los compresores grandes de 163 mm a 321 mm (aproximadamente
600 a 3400 ft3/min., respectivamente) generalmente son impulsados de manera
directa a través del rotor macho por un motor bipolar (3550 rpm). Esto se
traduce en velocidades de la punta del rotor macho de 30 m/seg. para el de 163
mm y de 60 m/seg. para el de 321 mm.
En el caso de compresores de menos de 163 mm, la velocidad
debe aumentarse para mantener una velocidad eficiente y rentable en la punta.
Dos métodos para lograr esto son transmisión integral por engranajes y
transmisión de rotor hembra.
Transmisión integral
En el enfoque de transmisión integral por engranajes, se
incorpora un conjunto de engranajes al diseño del compresor, el cual
proporciona un aumento de velocidad para alcanzar una velocidad económica en la
punta del rotor. El costo agregado y la complejidad de un conjunto integral de
engranajes se justifican por las siguientes ventajas.
a) Permite manejar diversas capacidades mediante un solo
tamaño de rotor del compresor.
b) Permite que un compresor físicamente pequeño produzca la
misma capacidad que una máquina más grande y más cara.
c) Permite mayor flexibilidad al ajustar el tamaño de las
máquinas. Una capacidad fuera de lo normal requiere sólo un cambio de
engranaje.
d) Minimiza el inventario de herramientas y repuestos.
Transmisión hembra
El enfoque con transmisión de rotor hembra proporciona un
aumento del 50% en la velocidad periférica del rotor macho en comparación con
la transmisión del rotor macho. Esto se debe al cociente de velocidad
macho/hembra de 1,5 inherente al perfil 4 + 6. Sin embargo, debido a que el
rotor macho absorbe el 85% de la torsión de entrada, toda esta torsión debe
transmitirse a través del engranaje del rotor. Esto requiere el endurecimiento
de los rotores a lo largo de la línea de paso para manejar las fuerzas
impulsoras adicionales. Se corre mayor riesgo de desgaste o daño del rotor si
se utiliza un sistema de transmisión de este tipo.
A pesar del bajo número de piezas móviles en el compresor de
doble tornillo y de su evidente simplicidad, no podemos ignorar algunas de las
ventajas del compresor reciprocante. El compresor de tornillo funciona a
velocidades aproximadamente tres veces superiores a las de un compresor
reciprocante y con altas cargas de cojinetes que afectan de manera adversa la
vida útil del compresor.
El compresor reciprocante también es más eficiente en el
funcionamiento con carga parcial. Los diversos puntos fuertes y débiles tanto
de los compresores reciprocantes y de tornillos giratorios le aseguran a cada
uno un lugar en el mercado.
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