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COMPRESORES DE TORNILLO

E. TORRELLA

COMPRESORES DE TORNILLOAntecedentes

• En 1878 Heinreich Krigar ofGermany desrrolló el primercompresor de tornillo, pero noes hasta 1930 que Alf Lisholmintrodujo el peril de losmodernos compresoreshelicoidales.

• Los compresores helicoidalesutilizados en técnicasfrigoríficas pueden ser de dos

Compresor Krigar

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frigoríficas pueden ser de dostipos:a) De dos rotores, (Lysholm), que

comenzaron a utilizarse en losaños 30 y están compuestos dedos husillos roscados (rotores),uno motor y otro conducido.

b) De rotor único, (Zimmern), quecomenzaron a utilizarse en losaños 60 y están compuestos porun rotor o husillo roscado único,que engrana con un par de ruedassatélites dentadas idénticas.

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Compresor Lysholm

COMPRESORES DE TORNILLOClasificación

• El compresor de tornillo esun dispositivo de tiporotativo y desplazamientopositivo. Existen dosvariantes:– De doble tornillo.

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– Monotornillo consatélites.

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COMPRESORES DE DOBLE TORNILLO

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COMPRESORES DE DOBLE TORNILLO

• Esta integrado por dos engranajeshelicoidales, o tornillos, en contactoque giran en sentido contrario. Uno deellos, el motriz, posee lóbulos, el otrotornillo (hembra) es desplazado por elprimero y presenta en su lateralcanales que se corresponden con lospasos del tornillo motriz (macho). Elrefrigerante procedente del evaporadorqueda atrapado en los espaciosexistentes entre los dientes del tornillohembra, dando vueltas con él y

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, ycomprimiéndose a medida que avanzahacia la salida, ya que el volumendisponible entre las ranuras que dejanlos tornillos va disminuyendogradualmente.

• El rotor macho acoplado al motoreléctrico tiene de 4 a 5 lóbulos,mientras que el rotor hembra sueleposeer 6 ó 7 cavidades.

COMPRESORES DE DOBLE TORNILLOEngrane

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Screw compressor dos rotores

• Para asegurar el cierre hermético de las cámaras de trabajo y, por lo tanto, la separación de lascavidades de aspiración e impulsión del compresor, la sección transversal de los dientes haevolucionado desde un perfil circular, hasta perfiles cicloidales, en orden a mejorar elfuncionamiento mecánico y dinámica de los rotores.

• El perfil del tornillo conductor es convexo, mientras que el del conducido es cóncavo; el rotorconductor, conectado al eje motor, gira más rápido que el conducido en una relación, 6/4 = 1,5 ó6/5 = 1,2.

• El vapor que penetra por la cavidad de aspiración, situada en uno de los extremos del compresor,llena por completo cada una de las cámaras de trabajo helicoidales del rotor conducido.

• Durante el giro de los rotores, las cámaras de trabajo limitadas entre los filetes de los rotores y lassuperficies internas del estator, dejan de estar en comunicación directa con la cavidad deaspiración y se desplazan junto con el vapor a lo largo de los ejes de rotación.

• En un momento determinado cada cámara de trabajo se cierra por uno de sus extremos mediante

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• En un momento determinado, cada cámara de trabajo se cierra por uno de sus extremos medianteuno de los cuatro dientes del rotor conductor, quedando así atrapado un volumen de vapor V1, quequeda desconectado de la aspiración a la presión p1 (fin de la fase de admisión), comenzando laetapa de compresión; al proseguir la rotación, el volumen se va reduciendo hasta que se pone encomunicación con la lumbrera de escape, alcanzando un valor V2 a la presión p2, momento en quese produce el fin de la fase de compresión y comienzo de la de escape.

• Cada una de las cámaras de trabajo se comporta como si el cilindro fuese un compresoralternativo, en donde cada diente del rotor conductor hace las veces de pistón, que primero cierra ydespués comprime el volumen inicialmente atrapado V1, por lo que un compresor helicoidal no essino un compresor alternativo de seis cilindros helicoidales, en el que se han eliminado el cigüeñal,el espacio muerto y las válvulas de admisión y escape.

COMPRESORES DE DOBLE TORNILLOEstructura interna

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COMPRESORES DE DOBLE TORNILLOFases

Fase de “Aspiración - Transporte”.• Cuando giran lo rotores, el gas fluye a través de la entrada de

aspiración y llena los espacios adyacentes situados entre los lóbulos.Estos espacios aumentan en longitud durante la rotación a medidaque el engrane se aproxima al lado de descarga. Cuando el espacioentre los lóbulos se llena con el gas de aspiración, en toda la longituddel rotor, la conexión de aspiración se cierra y termina la fase deaspiración.

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COMPRESORES DE DOBLE TORNILLOFases

Fase de “Compresión”.• Al continuar la rotación disminuye el espacio entre los

lóbulos, de modo que el gas encerrado es comprimido yaumenta su presión.

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COMPRESORES DE DOBLE TORNILLOFases

Fase de “Descarga”.• Cuando el rotor está en cierta posición, el gas llega a la

salida de descarga, iniciándose esta fase, la cual continúahasta que el espacio entre los lóbulos quedecompletamente vacío.

E. TORRELLA Pag. 11

A l d t ió

Volu

men

Cierre con lumbrerade admisión

Apertura a lumbrerade escape

Volumen aspiración

Volumen descarga

COMPRESORES DE DOBLE TORNILLO VARIACIONES EN PRESION Y VOLUMEN

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Angulo de rotación

Angulo de rotación

Pres

ión

360°

Presión descarga

Presión admisión

Admisión CompresiónDescargaTransporte

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COMPRESORES DE DOBLE TORNILLOCaracterísticas de funcionamiento.

• Relación de volumen “RV”

• Relación de presión “RP”

RVVV

Volumen inicio compresionVolumen final compresion

= =1

2

i i i i i

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• En caso de compresión isoentrópica; la relaciónentre las anteriores es:

RPpp

presion inicio compresionpresion final compresion

= =1

2

RP RVcc

p

v

= ⎯→⎯ =γ γ

COMPRESORES DE DOBLE TORNILLOPérdidas energéticas.

• Para un compresor dado y un refrigerante específico , larelación de presiones “RP” es constante, por lo que paracada presión de aspiración se tiene una de descarga,independiente de la reinante en condensador. Por lo quepueden producirse los siguientes casos:– p2 < pK; el vapor se acumula en la descarga hasta contrarestar el

ó

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deficit, resultando un incremento en el trabajo de compresión yuna caída de eficiencia.

– p2 > pK; el vapor se expande en la tubería de descarga, se hagenerado un trabajo mayor al necesario, por lo que tambiénresulta un descenso de eficiencia.

COMPRESORES DE DOBLE TORNILLOPérdidas energéticas.

PÉRDIDAS POR

SOBREPRESIÓN

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PÉRDIDAS POR

INFRAPRESIÓN

COMPRESORES DE DOBLE TORNILLOPérdidas energéticas. Representación gráfica

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Screw compressor dos rotores y uno. PRESIÓN FINAL DE COMPRESIÓN (cont)

• La presión p2 de diseño del compresor seleccionado no siempre es posible hacerlacoincidir con la presión de condensación impuesta por la instalación frigorífica pc, porlo que se pueden dar los siguientes casos:

• a) Si pc = p2 la compresión se realiza según el ciclo indicado (1-2-b-a-1), cuyasuperficie representa el trabajo teórico consumido por el compresor.

• b) Si pc > p2 cuando el volumen de la cámara de trabajo alcanza el valor V2 se poneen comunicación con la lumbrera de escape, produciéndose un reflujo de vapor desdela cavidad de alta presión hacia la celda de volumen V2, que de modo casi instantáneoeleva la presión en el interior desde p2 a pcs. La entrada del volumen (3-4) de vaporque proviene de la parte de alta, finaliza la compresión hasta pcs, objetivo que elcompresor por sí solo no habría podido conseguir. Como el árbol motor sigue girando,la cámara llena de vapor a la presión pcs disminuye su volumen en la fase de descarga

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la cámara llena de vapor a la presión pcs disminuye su volumen en la fase de descargadesde V2 hasta el valor cero según (3-c). El área (1-2-3-c-a-1) del diagrama indicadorepresentaría el trabajo mecánico de la compresión realizada. En consecuencia, el área(2-4-3-2) representa el trabajo adicional consumido.

• c) Si pc < p2 cuando el volumen de la cámara de trabajo alcanza el valor V2 se poneen comunicación con la lumbrera de escape, se produce un reflujo de vapor desde lacámara de volumen V2 hacia la parte de alta, que de modo casi instantáneo disminuyela presión en el interior desde p2 a pci. Como el árbol motor sigue girando, la cámarallena de vapor a la presión pci disminuye su volumen en su fase de descarga desde V2hasta el valor cero según (5-d). El área (1-2-5-d-a-1) del diagrama indicado representael trabajo mecánico de la compresión así realizada. El área (2-5-6) representa eltrabajo adicional consumido.

COMPRESORES DE DOBLE TORNILLOInyección de lubricante

• Los compresores de tornillo son, en general, lubricados medianteinyección directa de aceite a temperatura controlada.

• La cantidad de aceite inyectada es muy elevada, ya que además delubricar, deben proporcionar estanqueidad (evitar cortocircuitos haciala lumbrera de admisión), y absorber calor de compresión.

• La inyección de aceite aumenta la potencial relación de compresión.Además de cerrar el espacio entre los rotores, el aceite iguala latemperatura de éstos y reduce con eficacia la temperatura de

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p y pdescarga a un valor seguro, incluso con relaciones de compresión delorden de 18.

• El aceite se recupera en un separador de aceite, situado en lacanalización de descarga, y es previamente enfriado, antes de suinyección en la cámara de compresión.

COMPRESORES DE DOBLE TORNILLOTipos de enfriamiento de lubricante

AGUA AIRE

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TERMOSIFON CON REFRIGERANTE

COMPRESORES DE DOBLE TORNILLO RENDIMIENTO VOLUMÉTRICO

• No todo el vapor es expulsado por el lado de alta presión, con lo que el quepermanece en compresor juega un papel de volumen muerto,reexpandiéndose y limitando la entrada de vapor nuevo en la siguienteaspiración, en resumen, con estos compresores también se hace necesariotener en consideración un rendimiento volumétrico, debido al efectomencionado y los "cortocircuitos" desde alta presión a baja, limitados lainyección lubricante que actúa de "sello”.

• Antes de considerar el rendimiento volumétrico, el caudal geometricamentedisponible en compresores de doble rotor:

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2int. 118,0 externomachomachoerlóbulosaspmachomachog DLzNVzNV ≈=

• en la que:– Nmacho = régimen de giro del rotor "macho".– Zmacho = número de lóbulos del rotor "macho".– L = longitud de los rotores.– Dexterno = diámetro exterior de los rotores.

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RENDIMIENTO VOLUMÉTRICOSegún CEREPNALKOVSKY - CONAN

0,7

0,8

0,9

1Rv

Rv = 0,903 -0,0176 t

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2,5 7,5 12,5 17,5

TASA DE COMPRESION

0,4

0,5

0,6

COMPRESORES DE DOBLE TORNILLO RENDIMIENTO INDICADO IDEAL

cteVp n = [ ]RV

RPtVpRPn

nVpw gnn

g−

+−−

= −1

/)1(1 1

1

mientras que el trabajo de compresión entre las presiones “p1” y “p2” es de

[ ]11

* /)1(1 −= − nn

g tn

nVpw

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1−n• Por tanto la relación entre "w*" y "w" pone de manifiesto las pérdidas

que se producen en un compresor dado trabajando con una tasa decompresión diferente a la relación de presiones "RP" que puede dar elcompresor, pudiéndose definir como un rendimiento interno, cuyaexpresión es:

[ ][ ][ ][ ]

RVRVtRVnn

tnnR nn

nn

i −+−−

−−=

−

−

1)1/(

1)1/()1(

/)1(

0,4

0,6

0,8

1Ri (IDEAL)

COMPRESORES DE DOBLE TORNILLO RENDIMIENTO INDICADO IDEAL

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1 6 11 16 21TASA DE COMPRESION

0

0,2RV=2 RV=3 RV=4 RV=5

• Evidentemente, el rendimiento indicado es inferior alideal mostrado en la figura.

COMPRESORES DE DOBLE TORNILLO RENDIMIENTOS

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INSTALACION DOTADA DE COMPRESORES DE DOBLE TORNILLO

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COMPRESORES DE DOBLE TORNILLO REGULACIÓN DE LA CAPACIDAD

La regulación de capacidad se puede realizar de tres modos diferentes:a) Variando la velocidad de giro del rotor conducido.b) Mediante una laminación a la entrada del compresor, que origina un

aumento de la relación de compresión; este efecto, en otros compresores puedeelevar peligrosamente la temperatura de escape del vapor, pero no en loshelicoidales.

c) Mediante corredera; método consistente en una o varias válvulas deslizantes,la función de éstas válvulas es devolver mediante un (bypass) situado en lacavidad de entrada del compresor, una fracción (variable) del volumen totaldesplazado a plena carga, retardando así el comienzo de la compresión; lasválvulas deslizantes puede funcionar desde la presión correspondiente a plena

h t i l f l t áti

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carga, hasta cargas parciales cercanas a cero, en forma manual o automática,mediante un pistón movido hidráulicamente por el aceite del compresor.

COMPRESORES DE DOBLE TORNILLOOtras características del sistema de regulación

• El actuador de la válvula es operado hidráulicamente.Gracias al resorte incorporado, la válvula deslizante seabre automáticamente al detenerse el compresor,asegurando, que el arranque posterior del mismo seefectuará sin carga alguna.

• El sistema de corredera permite la posibilidad de regularen forma continua la capacidad entre 100 % y 10 % con

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e o a co t ua a capac dad e t e 00 % y 0 % conúmero constante de r.p.m., lo que tiene importanciacon respecto a los costes de energía. El sistema decontrol no tiene prácticamente pérdidas y, por lo tanto, elconsumo de energía disminuye al reducirse la capacidad.Esto significa que los costos de energía sonproporcionales a la capacidad frigorífica requerida.

COMPRESORES DE DOBLE TORNILLO Regulación por corredera

• El control de capacidad del compresor de tornillo se logra por mediode la válvula de control deslizante. Cuando ésta está en posicióncerrada, el compresor funciona a plena capacidad. Cuando la válvulase desplaza axialmente a la posición abierta, la longitud efectiva detrabajo de los rotores disminuye, reduciéndose así la capacidad. Elexceso de gas es devuelto al lado de aspiración del compresor.

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COMPRESORES DE DOBLE TORNILLOPosiciones de la corredera de regulación

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COMPRESORES DE DOBLE TORNILLOVISTAS DE LA CORREDERA

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COMPRESORES DE DOBLE TORNILLO VISTA INTERNA

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COMPRESORES DE DOBLE TORNILLOSistema de regulación por corredera

0,6

0,8

1% POTENCIA CONSUMIDA

REAL IDEAL

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0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

% POTENCIA FRIGORIFICA

0

0,2

0,4

Debido a las pérdidas internas, el control por corredera por debajo del 60% esineficiente.

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COMPRESORES DE DOBLE TORNILLO Economizador

• Los vapores procedentes de evaporador son comprimidosen una primera etapa, después se juntan con los que segeneran en el enfriamiento del motor eléctrico y la mezclase vuelve a comprimir en una segunda etapa.

• El liquido a alta presión procedente de condensador se

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q p pexpansiona en el primer orificio, el vapor formado es elque se utiliza en el enfriamiento del devanado del motor.El liquido restante se vuelve a expansionar hasta lapresión reinante en evaporador.

COMPRESORES DE DOBLE TORNILLOECONOMIZADOR

Condenser

1st Orifice

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Compressor

2nd Orifice

Evaporator

COMPRESORES DE DOBLE TORNILLO Economizador. p-h

E. TORRELLA Pag. 35 E. TORRELLA

COMPRESOR MONOTORNILLO

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COMPRESOR MONOTORNILLO

• Consta de un rotor conductor con seiscámaras de trabajo helicoidales de perfilgloboidal, que acciona dos ruedas dentadassatélite que tienen once dientes cada una, deperfil idéntico al de las cámaras de trabajo, ysituadas a ambos flancos del rotor conductor,la velocidad de las ruedas dentadas es (6/11)de la del rotor principal.

• La potencia de compresión se transfieredirectamente desde el rotor principal alvapor; las ruedas dentadas no disponen deningún tipo de energía, salvo pérdidas porrozamiento.L h l l fil i i

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• Las holguras entre los perfiles en movimientotienen que ser pequeñas, (las óptimas paracada tipo de máquina), con el fin de evitarfugas o filtraciones de vapor desde lacavidad de escape hacia regiones donde laspresiones sean más bajas. La inexistencia dejuntas y segmentos hace que las pérdidaspor rozamiento mecánico sean más bajas encomparación con las que se producen en loscompresores alternativos. Las holgurasrelativas son mayores en las máquinaspequeñas, en las que predominan

COMPRESOR MONOTORNILLOVISTA

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COMPRESORES MONOTORNILLOFases de funcionamiento

• Aspiración; Como el rotor está íntegramenteencerrado en un cilindro, todas las estríaspermanecen constantemente encomunicación con el extremo de la cámarade aspiración a través de una de las carasterminales del rotor. Un diente en cada estríacierra hermética y completamente la seccióntransversal de la misma. Su desplazamientodentro de la estría provoca la toma derefrigerante.

• Compresión; Las estrías, así llenas, se cierranherméticamente una por una a partir de lacámara de aspiración, por medio de losdientes de la otra rueda de engranaje que se

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dientes de la otra rueda de engranaje que seengrana en las estrías, reduciendo suvolumen mediante el movimiento progresivode los dientes a través de las estrías. De estamanera se obtiene la compresión delrefrigerante.

• Descarga; La compresión continua en cadaestría hasta que su extremo entra encomunicación con una de las dos lumbrerasde salida situadas en oposición a cada ladodel rotor en la camisa cilíndrica. Una vez quela presión alcanza su punto máximo lacompresión cesa y el refrigerantecomprimido se descarga completamente dela estría.

COMPRESORES MONOTORNILLOFases de funcionamiento (Cont)

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COMPRESORES MONOTORNILLOFases de funcionamiento (Cont)

Aspiración• Como el rotor está íntegramente encerrado en un cilindro, todas las estrias

permanecen constantemente en comunicación con el extremo de la cámara deaspiración a través de una de las caras terminales del rotor. Un diente en cadaestría cierra hermética y completamente la sección transversal de la misma. Sudesplazamiento dentro de la estría provoca la toma de refrigerante.

Compresión• Las estrías así llenas se cierran herméticamente una por una a partir de la

cámara de aspiración por medio de los dientes de la otra rueda de engranaje quese engrana en las estrías, reduciendo su volumen mediante el movimientoprogresivo de los dientes a través de las estrías. De esta manera se obtiene la

E. TORRELLA

progresivo de los dientes a través de las estrías. De esta manera se obtiene lacompresión del refrigerante.

Descarga• La compresión continua en cada estría hasta que su extremo entra en

comunicación con una de las dos lumbreras de salida situadas en oposición a cadalado del rotor en la camisa cilíndrica. Una vez que la presión alcanza su puntomáximo la compresión cesa y el refrigerante comprimido se descargacompletamente de la estría.

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COMPRESOR MONOTORNILLOVARIACIONES DE PRESION Y VOLUMEN

• Pto a. Comienzo de la aspiración.• Pto b. El diente comienza a cerrar el

valle.• Pto c. El valle se pone en comunicación

con el orificio de descarga• Pto d. El diente abandona el valle• De lo expuesto se deduce que las

cámaras de trabajo del rotor, secomportan a todos los efectos comoseis ci-lindros de doble efecto, en losque los dientes actúan como pistones;

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q p ;mientras que por uno de sus lados seefectúa la aspiración del vapor, por elotro se realiza simultáneamente sucompresión y escape.

COMPRESORES MONOTORNILLOCompensación de esfuerzos

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COMPRESORES MONOTORNILLOEstructura interna

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COMPRESORES MONOTORNILLOControl de potencia

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COMP. MONOTORNILLOREGULA I

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COMP. MONOTORNILLOREGULA II

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COMPRESORES MONOTORNILLOControl de potencia

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COMPRESORES MONOTORNILLOCorrederas paralelo

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COMPRESORES MONOTORNILLO

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COMPRESORES DE TORNILLORango de potencias en máquinas frigoríficas

1000

10000Q0 [kW]

E. TORRELLA Pag. 51T = TEÓRICO; P = PRÁCTICO

10

R-1

2 T

R-1

34a

T

R-1

34a

P

R-2

2 T

R-2

2 P

R-5

02 T

R-1

25 T

R-7

17 T

R-7

17 P

C3H

8 T

100

COMPARACIÓN CON ALTERNATIVOS

• La comparación con los compresores de tipo alternativo no puede serlimitada a los compresores de tornillo, sino que la discusión puede ampliarsea los demás tipos de compresores volumétricos del tipo rotativo.

• Los compresores rotativos están sometidos a un movimiento de giroconstante, el flujo de vapor en la admisión y el escape es asimismoconstante, y por tanto sufren menores vibraciones mecánicas, y pulsacionesen la descarga, que los compresores alternativos.

• El campo de aplicación de los compresores alternativos está limitado por latemperatura de compresión, que no debe rebasar un valor máximo de 135 a140 ºC, esta limitación entraña que para el amoníaco no debe sobrepasarse

d ió d l d "8" ( i d "11" l

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una tasa de compresión de un valor de "8" (aproximadamente "11" para elR-22), siendo los valores del rendimiento volumétrico muy bajos para estosvalores con compresores alternativos. En un compresor de tornillo puedenalcanzarse unos valores de tasas de compresión superiores al disponer desistemas de enfriamiento por inyección de líquido o enfriamiento de aceite.

• El control de la capacidad se efectúa reenviando vapores de refrigerantehacia la admisión, comprimiendo sólo una parte del flujo total, con lo que seconsigue una variación continua de la potencia del 100% al 10%.

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COMPARACIÓN CON ALTERNATIVOS

• Otras de sus características son:– No emplean válvulas.– Limitado par de arranque debido a la compensación de presión

que se produce en parado.– En general pueden emplear accionamiento directo, sin

transmisiones intermedias.– Ausencia de elementos de ajuste frecuente. Bajo mantenimiento.– En general estos compresores pueden emplearse en casos en que

i d l l d f i l

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es necesario desplazar un volumen de refrigerante muy alto porunidad de potencia frigorífica (especialmente indicados como"boosters" o compresores de baja presión en sistemas de variasetapas). La utilización normal de los alternativos alcanza los 2000m3/h, mientras que los de tornillo se mueven en el rango de 200,10000 m3/h.

– Presentan el inconveniente de ser necesaria una gran precisión ensu fabricación, tanto en tolerancias dimensionales como de formay acabado superficial.

COMPARACIÓN CON ALTERNATIVOS

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