Diferentes tipos de compresores de refrigeración

Un compresor actúa como el «corazón» de un sistema de refrigeración mecánica basado en el refrigerante. Sus funciones incluyen la extracción del refrigerante evaporado que transporta la energía de calor de las bobinas del evaporador, comprimiéndolo desde una presión y temperatura bajas a una presión y temperatura altas, y empujándolo alrededor del circuito de refrigeración con el propósito de rechazar el calor. 

En los entornos de los centros de datos, el tipo de compresor no sólo afecta en primer lugar al coste y a las características operativas del sistema de refrigeración (es decir, el rendimiento, la fiabilidad, la vida útil, el ruido, etc.), sino que también afecta a los requisitos de capacidad de los equipos de distribución de energía y los generadores de aguas arriba, necesarios para apoyar el sistema de refrigeración. Sin embargo, los diversos tipos de compresores y sus atributos suelen causar confusión a los administradores y operadores de los centros de datos. Por ejemplo, se cree ampliamente que sólo hay dos tipos de compresores, a saber, los de «velocidad constante» y los de «velocidad variable». Estos dos términos de uso común no describen correctamente muchos de los compresores disponibles y no pueden explicar las características de cada uno de los tipos de compresores.

Además de añadir confusión, los vendedores suelen producir modelos con nombres similares, pero con características de rendimiento muy diferentes. Gran parte de esta confusión desaparece si se identifican correctamente los diferentes tipos de compresores.

Este artículo clasifica los tipos de compresores que existen hoy en día en el mercado, describe su estructura, teoría de funcionamiento, beneficios, limitaciones y aplicaciones, junto con comparaciones que muestran las diferencias de capacidad, eficiencia y costo.

Los compresores se describen a veces por las siguientes características:

  • Velocidad de conducción (velocidad constante o variable)
  • Número de etapas (una sola etapa, dos etapas o múltiples etapas)
  • Tipos de transmisión (motor, motor, correa o cadena, etc.)
  • Estructura (tipo abierto, semi-hermético y herméticamente cerrado)
  • Método y medio de enfriamiento (enfriado por aire, por agua o por aceite)
  • Método de lubricación (lubricación por salpicadura, lubricación forzada o sin aceite)

Sin embargo, las características mencionadas no pueden distinguir los puntos comunes o las características únicas entre los diferentes tipos de compresores, lo que provoca confusión en los administradores y operadores de los centros de datos. De hecho, la clasificación más típica se basa en la teoría de funcionamiento del compresor, como el desplazamiento positivo y la dinámica.

Compresor recíproco o pistón (de acción simple)

Un compresor reciprocante también se denomina compresor de pistón que adopta el movimiento de pistón de ida y vuelta en un cilindro sincronizado con las válvulas de succión y descarga para comprimir el refrigerante vaporizado de una presión y temperatura bajas a una presión y temperatura altas. El movimiento del pistón se logra mediante un cigüeñal que convierte las rotaciones del motor en reciprocidades de pistón.

Cada ciclo de operación incluye tres acciones: succión, compresión y descarga. Cada rotación del cigüeñal puede lograr estas tres acciones en secuencia; como resultado, el desplazamiento del gas es discontinuo, lo que causa vibración. El desplazamiento total teórico de gas depende del tamaño de cada cilindro, la cantidad de cilindros y la velocidad de rotación del cigüeñal. Sin embargo, el desplazamiento real de gas también está determinado por la eficiencia de volumen, que depende del volumen de holgura, la resistencia de las válvulas de succión y descarga, las fugas entre el pistón y el cilindro, etc.

Dependiendo de la ubicación del fluido de trabajo, el compresor de pistón puede ser subclasificado como de simple o doble efecto. De simple efecto significa que el refrigerante actúa sólo en un lado del pistón, mientras que de doble efecto significa que el fluido de trabajo actúa en dos lados del pistón.

El compresor de acción simple alternativo también puede ser subclasificado de otras maneras, como por ejemplo:

  • Estructura (tipo abierto, semi-hermético útil, semi-hermético útil atornillado y hermético soldado)
  • Disposición y cantidad de cilindros (dispuestos como la letra V, W, Y, S, etc.)
  • Temperatura de funcionamiento (baja, media y alta)

Los compresores reciprocantes semiherméticos abiertos y utilizables pueden ser desmontados para su servicio en el campo mientras que los herméticos soldados son inservibles. El tipo hermético soldado puede diseñarse para una capacidad de refrigeración pequeña (por ejemplo, 1/2 tonelada o 1,8 kW) mientras que el tipo abierto puede diseñarse para una capacidad de refrigeración grande (por ejemplo, un centenar de toneladas o 350 kW).

La capacidad del compresor de pistón puede ajustarse mediante la cantidad de cilindros de trabajo, la descarga de los cilindros (mediante derivación o corte de la succión) y el accionamiento del inversor. Para aumentar el límite de funcionamiento del sistema de refrigeración, se puede utilizar una compresión de dos estados o un sistema de cascada. El rendimiento del compresor, como la capacidad y la eficiencia, también están determinados por el tipo de refrigerante, y los refrigerantes con valores más bajos de potencial de calentamiento global (GWP) y valores más bajos de potencial de agotamiento de la capa de ozono (ODP) se recomiendan por los beneficios ambientales. A continuación se enumeran los beneficios, limitaciones y aplicaciones de este tipo de compresor.

Beneficios

  • Amplias aplicaciones: este tipo de compresor es capaz de comprimir una amplia gama de gases como el refrigerante, el hidrógeno, el gas natural, etc. Como resultado, puede ser utilizado en diferentes industrias como la construcción, la refrigeración, la minería, la metalurgia, etc.
  • Amplio rango de capacidad: los compresores herméticos soldados pueden diseñarse para una capacidad muy pequeña que normalmente se utiliza para congeladores residenciales. Los compresores semiherméticos abiertos y utilizables pueden diseñarse hasta cien toneladas (350 kW) para aplicaciones de aire acondicionado residenciales y comerciales.

Limitaciones

  • Baja eficiencia energética: este tipo de compresor sufre mayores pérdidas como resultado del volumen de despeje, la resistencia debida a las válvulas de succión y descarga, y las fugas de gas entre el pistón y el cilindro.
  • Sensible a los derrames de líquidos inherentes a este diseño (véase la barra lateral para más detalles).
  • En comparación con otros tipos de compresores que se examinan a continuación, normalmente tiene mayores dimensiones y un mayor peso por unidad de capacidad.
  • Difícil de mantener debido a su compleja estructura.
  • Vibración debido al desplazamiento discontinuo del gas.

Aplicaciones

Basándose en las características del compresor de pistón, puede utilizarse en las siguientes aplicaciones:

  • Refrigerador y congelador doméstico de tipo hermético soldado.
  • Aplicaciones de aire acondicionado y refrigeración residenciales y comerciales (abierto, semihermético y hermético soldado)

Compresor de paletas rotativas

Un compresor de paletas rotativas también se conoce como compresor de pistón rotativo porque la función de las paletas es similar a la de los pistones. La carcasa fija se conoce como cilindro. El álabe divide el espacio entre el cilindro y el pistón rotativo en dos secciones (succión y descarga). A medida que el pistón rodante gira, estos dos volúmenes aumentan y disminuyen para lograr la succión, compresión y descarga del gas. Este tipo de compresor también puede ser subclasificado por la velocidad de accionamiento (constante y variable) y el número de paletas. Cada ciclo de operación incluye cinco acciones: inicio, succión, compresión, descarga y final. Cada rotación del cigüeñal puede lograr estas cinco acciones en promedio. La capacidad puede ser ajustada a través de la descarga del cilindro o del accionamiento del inversor.

Beneficios

Comparado con el compresor reciprocante, el compresor de paletas rotativas tiene:

  • Mayor eficiencia debido a las menores pérdidas por el volumen de despeje y la resistencia de la válvula de descarga.
  • Dimensiones más pequeñas y un peso más ligero por unidad de capacidad (40 de ahorro).
  • Menos vibraciones, menos componentes y mayor fiabilidad porque no hay conversión de rotaciones a reciprocidades.

Limitaciones

Comparado con otros compresores discutidos a continuación, el compresor de paletas rotativas tiene:

  • Capacidad menor, normalmente inferior a 5 toneladas (18kW) debido a la limitación de su estructura.
  • Menor fiabilidad debido a la mayor cantidad de componentes.
  • Menor eficiencia energética debido a las pérdidas por el volumen de despeje, dis. válvula.

Aplicaciones

  • Aparatos como refrigeradores y congeladores domésticos
  • Productos de aire acondicionado y bombas de calor residenciales de menos de 5 toneladas (17,6 kW)

Compresor rotativo de desplazamiento

En comparación con el compresor de paletas rotativas, un compresor de scroll o de desplazamiento rotativo se utiliza para comprimir grandes volúmenes de refrigerante gaseoso a una presión y temperatura más elevadas mediante un desplazamiento fijo y orbital. El refrigerante de vapor frío es aspirado desde el exterior de la voluta fija, luego se comprime entre la voluta fija y la orbital, y finalmente el refrigerante comprimido se descarga desde el centro de la voluta fija con un desplazamiento continuo. El compresor de desplazamiento rotativo puede ser subclasificado por la velocidad de accionamiento (constante y variable).

Cada ciclo de operación incluye tres acciones: succión, compresión y descarga. Sin embargo, algunos diseños de compresores de velocidad constante ajustan su capacidad de enfriamiento levantando o separando una de las voluta de forma intermitente de su posición de funcionamiento normal basándose en la cantidad de carga térmica para ajustar su capacidad de enfriamiento. Cuanto menos carga, más tiempo permanecen separadas las volutas, lo que impide la compresión del refrigerante. Este método no es un compresor de velocidad variable, sino un compresor de capacidad variable, que es menos eficiente que el compresor de velocidad variable real. Un término común de la industria que se utiliza para describir este tipo de compresor es el compresor scroll digital.

Beneficios

En comparación con los compresores de pistón y de paletas rotativas, un compresor de desplazamiento rotativo tiene las siguientes ventajas:

  • Mayor fiabilidad debido a una estructura más simple y menos componentes.
  • Mayor eficiencia debido a las menores pérdidas, ya que no requiere válvulas de succión ni de descarga, mientras que no hay volumen de despeje.
  • Menos vibración y menos surgimiento debido al continuo desplazamiento de gas a través del movimiento de barrido de los rotores.

Limitaciones

En comparación con los compresores de tornillo rotativo y centrífugos que se examinan a continuación, el compresor de tornillo rotativo tiene menor eficiencia y menor capacidad.

Aplicaciones

Este tipo de compresor se utiliza normalmente para aplicaciones comerciales de aire acondicionado y refrigeración que requieren una capacidad de compresión de 5 a 10 toneladas (18-35 kW).

Compresor de tornillo rotativo

Un compresor de tornillo rotativo utiliza rotores para comprimir grandes volúmenes de refrigerante gaseoso a una alta presión y temperatura. La compresión se realiza mediante rotores macho y hembra que reducen el volumen de gas refrigerante a medida que giran. El refrigerante de vapor frío entra por el puerto de succión, es forzado por los rotores de malla a través de las roscas mientras los tornillos giran, y sale por el puerto de descarga con alta presión y temperatura. El compresor de tornillo rotativo puede ser subclasificado por la cantidad de tornillos (simples, dobles y múltiples). La capacidad puede ser ajustada a través de un accionamiento inversor.

Beneficios

En comparación con los compresores mencionados anteriormente, el compresor de tornillo rotativo tiene los siguientes beneficios:

  • Una estructura más simple, menos componentes, mayor capacidad y mayor eficiencia.
  • Menos vibración y menos surgimiento debido al continuo desplazamiento de gas a través del movimiento de barrido de los rotores.
  • Mejor ajuste de la capacidad de refrigeración sin causar un funcionamiento inestable, lo que a veces es un problema con los compresores centrífugos.
  • Es menos sensible a los derrames de líquidos, pero a largo plazo los derrames de líquidos afectarán la fiabilidad del compresor.

Limitaciones

Poco práctico de diseñar a una capacidad inferior a 20 toneladas (70 kW), debido a la tecnología de procesamiento del rotor.

Aplicaciones

Los compresores de tornillo se han desarrollado para competir con los grandes compresores recíprocos y los pequeños compresores centrífugos tanto en el mercado de la climatización como en el de la refrigeración. Se utilizan para aplicaciones de aire acondicionado y refrigeración comerciales e industriales con una capacidad de entre 20 y 750 toneladas (70-2.637 kW).

Conclusión

Varios tipos de compresores son apropiados para diferentes usos, y ningún tipo de compresor es ideal para todas las aplicaciones. La intención de este documento es contrastar las ventajas y limitaciones de los diversos tipos de compresores que existen actualmente en el mercado.

Las diferencias significativas en los diseños de los compresores ofrecen beneficios teóricos y prácticos para diferentes propósitos. Sin embargo, el compresor es sólo uno de los cuatro componentes básicos de un aire acondicionado. El tipo de compresor, la configuración del sistema de refrigeración (por ejemplo, condensador, evaporador), el control, etc. determinarán el rendimiento final alcanzado en una aplicación particular.