Entramos en el tercer capítulo de este especial sobre compresores para refrigeración. Luego de conocer las recomendaciones sobre los compresores de tornillo, llegamos al tema de rendimiento y aplicación.
por Germán Robledo*
Con el paso del tiempo, nuestra sociedad está cada vez más preocupada por el alto costo de la energía. Al considerar la compra de un equipo, con frecuencia se pone más énfasis en los costos de funcionamiento (energía) que en cualquier otra cosa. Por este motivo, la relación BHP/tonelada es cada vez más importante al seleccionar equipos de refrigeración. Desde el punto de vista del compresor, BHP/tonelada puede traducirse en eficiencia.
Este artículo analiza la eficiencia de los compresores y los factores que la afectan. La eficiencia de los compresores normalmente se describe en términos de eficiencia volumétrica y eficiencia isentrópica.
La eficiencia volumétrica puede describirse como el cociente entre el rendimiento real del compresor (ft3/min.) comparado con el desplazamiento de barrido (ft3/min. teóricos), de acuerdo con la siguiente relación:
E.V. = pcm real x 100
pcm barridos
La eficiencia isentrópica (también llamada eficiencia adiabática o global) puede describirse como el cociente entre el trabajo real y el teórico del compresor para producir una capacidad dada (pcm). El trabajo teórico puede determinarse a partir del diagrama de presión-entalpía para el refrigerante en cuestión.
Figura 1 — Presión típica – Diagrama de entalpía
Figura 1. La condición uno (P1) es la succión del compresor y la condición dos (P2) es la descarga del compresor. El trabajo real del compresor es igual a h2 - h1. El trabajo isentrópico es igual a h2s - h1. La potencia y el flujo de masa (M) de refrigerante a través del compresor pueden determinarse a partir de pruebas de rendimiento. Estos números luego pueden utilizarse para calcular lo siguiente:
- Trabajo isentrópico:
Wi = (h2s - h1) x M
42,42
donde:
Wi = BHP isentrópica
h2s , h1 = BTU/lb
M = lb/min. de flujo a través del compresor
- Eficiencia isentrópica:
E.I. = Wi x 100
Wa
donde:
Wa = BHP real
La eficiencia isentrópica tiene mayor significado cuando se habla sobre eficiencia de la energía, porque depende directamente de la cantidad de capacidad de refrigeración proporcionada por cada entrada de BHP. Cualquier cosa que cause el aumento de la potencia del compresor (para condiciones de presión constantes) reducirá la eficiencia isentrópica. Además, si la potencia permanece constante y la capacidad (eficiencia volumétrica) se reduce, la eficiencia isentrópica también se reduce.
La eficiencia volumétrica, por otro lado, tiene poco significado cuando se habla de eficiencia de energía. Su importancia se relaciona con la estimación de la capacidad del compresor. Para analizar los factores que afectan el rendimiento del compresor, se muestran curvas de eficiencia típicas para un compresor de tornillo y un compresor reciprocante en la Figura 2.
Algunas observaciones y explicaciones de la Figura 2 pueden expresarse de este modo:
1. La eficiencia volumétrica de un compresor de tornillo se reduce a medida que aumenta la relación de compresión (la relación de compresión absoluta es la relación entre las presiones absolutas de descarga y de succión). Esta curva depende primariamente de los ajustes internos del compresor que permiten fugas del lado de alta presión de regreso a la succión.
Los ajustes totales pueden visualizarse como un solo orificio de tamaño equivalente. A medida que la relación de compresión a través del orificio (ajustes) aumenta, el flujo (fuga) también aumenta. Una máquina con ajustes muy pequeños tendrá una curva de E.V. relativamente plana y una con ajustes grandes tendrá una curva de E.V. con pendiente empinada.
2. La eficiencia volumétrica (E.V.) de un compresor reciprocante también se reduce a medida que aumenta la relación de compresión. Sin embargo, la pendiente es generalmente más empinada que la de un compresor de tornillo. Esto depende primariamente del volumen de punto muerto (ajuste restante en el centro muerto superior) del compresor reciprocante. A medida que aumenta la relación de compresión, el volumen de punto muerto reduce cada vez más la eficiencia volumétrica (ya que el refrigerante restante después de cada ciclo de compresión ocupa mayor porcentaje del volumen disponible).
3. La eficiencia isentrópica de un compresor de tornillo es máxima con una relación de compresión en particular. El pico de la curva se relaciona con la relación de volumen integrado ideal del compresor. La curva cae abruptamente a medida que la relación de compresión se aleja del punto óptimo, porque las pérdidas asociadas con la relación de volumen integrado también aumentan. Por este motivo, una relación de volumen integrado en particular se limita a una banda de relación de compresión alrededor del pico de la curva de eficiencia isentrópica. Además, la fuga de una hélice de alta presión de regreso a una hélice de menor presión resultará en un aumento de energía.
4. La eficiencia isentrópica de un compresor reciprocante es máxima cerca de la de un compresor de tornillo, pero no cae tan rápido en ninguno de los lados de su pico. El motivo de esto es que el compresor reciprocante no tiene relación de volumen integrado sino que siempre concuerda con las condiciones de presión. Por lo tanto, no tiene las pérdidas asociadas con la relación de volumen integrado. Un compresor reciprocante es una verdadera máquina de relación de volumen variable.
Hay varios factores adicionales que afectan la eficiencia volumétrica. En un compresor de tornillo, además de las fugas, es importante mantener el aceite de inyección alejado de la succión del compresor. Hay dos motivos para esto. Uno es que el aceite caliente introducido en la succión precalienta (sobrecalienta) el vapor entrante y reduce su densidad, reduciendo así la capacidad de la máquina. En segundo lugar, el aceite de inyección contiene algo de refrigerante arrastrado que se enciende cuando se introduce en el compresor. Si esto ocurre en la succión del compresor, el refrigerante expandido desplaza parte del gas de succión, lo cual, a su vez, reduce la capacidad de la máquina. Por este motivo, se inyecta aceite después de que la compresión comienza (la hélice cerrada) para evitar los problemas antes mencionados.
Muchos compresores de tornillo llevan la inyección de hélice cerrada un paso más allá e inyectan el aceite a través de la válvula de corredera. De esta manera, el agujero para inyección de aceite se mueve a medida que la válvula descarga el compresor, manteniendo el aceite inyectado en la hélice cerrada durante el funcionamiento con carga parcial. Esto mejora el rendimiento (la eficiencia) de la carga parcial.
En un compresor reciprocante, también debe evitarse el precalentamiento del gas de succión. Aunque no hay inyección de aceite que contrarrestar, el cilindro se calentará más que el compresor de tornillo inundado de aceite. La temperatura aumenta a medida que aumenta la relación de compresión. Parte de este calor no puede evitar sumarse al sobrecalentamiento de la succión, reduciendo así la capacidad.
Si la capacidad del compresor se considera constante, la eficiencia isentrópica es afectada por las cosas que consumen potencia. La fricción y las pérdidas de las válvulas (caídas de presión en las válvulas) para el compresor reciprocante y la fricción, el arrastre viscoso del aceite, la relación de volumen integrado discrepante y la fuga de “hélice a hélice” para el compresor de tornillo son factores que afectan la potencia. Al comparar el rendimiento de un compresor de tornillo giratorio con un compresor reciprocante, debe recordarse que la eficiencia global o isentrópica debe ser el punto de comparación.
La eficiencia global está directamente relacionada con BHP/tonelada. Aunque las comparaciones de eficiencia volumétrica son importantes para el diseñador del compresor, no deben usarse para comparaciones de eficiencia de energía. Deben tenerse en cuenta las características de rendimiento para cada tipo de compresor cuando se evalúa una aplicación en particular.
* German Robledo es Ingeniero Mecánico. Cuenta con 15 años de experiencia en la industria de la refrigeración industrial, fue gerente de after market y servicios para la zona norte de América Latina en la compañía York Refrigeration y actualmente es el director de ventas para América Latina de la empresa Vilter Manufacturing - Emerson Climate.
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