Compresor de tornillo
Compresor de tornillo sencillo: diseño y operación
El compresor de tornillo del
tipo sencillo es un compresor rotativo, de desplazamiento positivo que
incorpora un rotor principal y dos estrellas laterales. La compresión
del gas se lleva a cabo por medio del engranaje de las dos estrellas
laterales con las ranuras helicoidales en el rotor principal. El eje de
acople imparte el movimiento rotativo al rotor principal el cual a su
vez acciona las estrellas laterales engranadas.
El compresor consta de tres componentes fundamentales los cuales rotan y completan el trabajo del proceso de compresión. Esto incluye típicamente un rotor principal cilíndrico con 6 ranuras helicoidales y dos estrellas laterales planas, cada una con 11 dientes. Los ejes rotativos de las estrellas laterales están paralelas unas a otras y mutuamente perpendiculares al eje del rotor principal.
El compresor consta de tres componentes fundamentales los cuales rotan y completan el trabajo del proceso de compresión. Esto incluye típicamente un rotor principal cilíndrico con 6 ranuras helicoidales y dos estrellas laterales planas, cada una con 11 dientes. Los ejes rotativos de las estrellas laterales están paralelas unas a otras y mutuamente perpendiculares al eje del rotor principal.
TEORÍA
El ciclo de compresión comienza después de que el gas de succión llena las ranuras superiores e inferiores del rotor principal en el lado de la succión. Como el compresor tiene dos estrellas laterales, el proceso de compresión ocurre simultáneamente en los lados opuestos al rotor, en la parte superior e inferior. Cuando el rotor principal gira, este a su vez acciona las estrellas laterales.
El engranaje de la estrella lateral con una de las ranuras del rotor principal atrapa el gas de succión y así comienza el proceso de compresión. Mientras el rotor principal gira, el engranaje de la estrella lateral continua, reduciendo el volumen inicial de la ranura y aumentando su presión en la ranura. Esto ocurre simultáneamente en los dos lados del rotor principal.
Finalmente, mientras el rotor principal sigue rotando hacia la conclusión del ciclo de compresión, la ranura se alinea al puerto de la carcasa en e lado de la descarga. El gas y cualquier liquido se encuentre en la ranura son descargados radialmente a través del puerto hacia la cámara de descarga.
Como hay seis ranuras en el rotor principal, el proceso de compresión ocurre simultáneamente seis veces en dos sitios por cada revolución del rotor. Una operación a 3600 RPM resulta en 21,600 golpes de compresión simultáneos en la ranuras superiores e inferiores por minuto y un flujo relativamente parejo del gas comprimido.
CARGA BALANCEADA
Una ventaja del compresor de tornillo sencillo es que no existen fuerzas netas radiales o axiales ejercidas en el rotor principal o en los componentes del eje de acople por el trabajo de compresión. Como el proceso de compresión ocurre simétricamente y simultáneamente en los lados opuestos del rotor, las fuerzas causadas por la compresión se cancelan. Las únicas cargas verticales ejercidas son causas por la gravedad. Debido a las características constructivas del sello de laberinto que tiene este compresor, el rotor principal solamente estará expuesto a la presión de succión. Esta presión de succión es ejercida en ambos lados del tornillo dando como resultado cargas axiales balanceadas.
El compresor de tornillo sencillo tiene una ventaja de diseño inherente la cual es la carga reducidas durante el proceso de compresión. Esto se debe a que el área del diente de la estrella lateral disminuye a medida que la presión del gas en la ranura se acerca a la presión de descarga. Cuando la estrella lateral se engrana por primera vez con el rotor principal el principio del proceso compresión comienza. A medida que la rotación continua, el área del diente de la estrella lateral que esta en contacto con el gas aumenta.
La fuerza resultante crea las cargas axiales que son transmitidas a las estrellas laterales. Aproximadamente en la mitad del golpe, o cuando el eje radial de un diente de las estrella lateral esta en posición perpendicular al eje del rotor principal, el área máxima de este diente esta expuesta al gas que esta siendo comprimido.
Mientras el ciclo de
compresión continua, la presión dentro de la ranura aumenta pero el
área del diente de la estrella lateral que esta en contacto con el gas
dentro de la ranura continúa disminuyendo. Las cargas disminuidas
transmitidas a los componentes y a los rodamientos dan como resultado
una mayor seguridad. Al final del golpe, el área del diente de la
estrella lateral ha sido reducido a cero y al mismo tiempo este diente
se desengrana del rotor principal.
Otra característica del diseño del compresor del tipo tornillo sencillo que aumenta su confiabilidad es que las cargas en el ensamble de las estrellas laterales están bien definidas y aisladas del rotor principal. Como los ensambles de las estrellas laterales son independientes y no interfieren con el resto del cuerpo del rotor principal, los rodamientos pueden ser dimensionados para una seguridad máxima.
SELLAMIENTO
El sello de la compresión se logra por medio de una combinación de precisión de las aberturas existentes entre las estrellas lateral y el cuerpo del rotor principal. Esta abertura es sellada por medio del aceite lubricante que se inyecta en esta zona del compresor. Este aceite debe además tener la viscosidad adecuada para lubricación de los rodamientos del compresor. El aceite es arrastrado dentro de la ranura durante el proceso de succión y además es inyectado en el rotor durante el proceso de compresión para maximizar el sellado.
Debido a la rotación del tornillo, la fuerza centrifuga impulsa el aceite inyectado hacia el volumen circunferencia del espacio entre el tornillo y la carcasa. Esto minimiza la fuga que se conoce como cascada. Una cascada se define como la fuga que existe desde la ranura de alta presión pasando la zona que separa las ranuras hacia la de baja presión que la sigue. Otro atributo inherente del diseño del compresor de tornillo sencillo es que la ranura tiene un área mayor hacia su descarga que en el centro de esta. Este atributo también minimiza la fuga de gas desde las áreas donde al gas esta a mayor presión hacia las ranuras donde éste está a menor presión.
Otra área donde la fuga es minimizada es entre el lado de alta presión de al ranura hacia la parte posterior del rotor principal al cual esta a la presión de succión. Este posible punto de fuga es sellado por medio de un sello hidrodinámico de no-contacto que se conoce por el nombre de sello de viscosidad o por la fuerza opuesta por el gas que se está siendo comprimido o por un sello de laberinto.
Otra característica del diseño del compresor del tipo tornillo sencillo que aumenta su confiabilidad es que las cargas en el ensamble de las estrellas laterales están bien definidas y aisladas del rotor principal. Como los ensambles de las estrellas laterales son independientes y no interfieren con el resto del cuerpo del rotor principal, los rodamientos pueden ser dimensionados para una seguridad máxima.
SELLAMIENTO
El sello de la compresión se logra por medio de una combinación de precisión de las aberturas existentes entre las estrellas lateral y el cuerpo del rotor principal. Esta abertura es sellada por medio del aceite lubricante que se inyecta en esta zona del compresor. Este aceite debe además tener la viscosidad adecuada para lubricación de los rodamientos del compresor. El aceite es arrastrado dentro de la ranura durante el proceso de succión y además es inyectado en el rotor durante el proceso de compresión para maximizar el sellado.
Debido a la rotación del tornillo, la fuerza centrifuga impulsa el aceite inyectado hacia el volumen circunferencia del espacio entre el tornillo y la carcasa. Esto minimiza la fuga que se conoce como cascada. Una cascada se define como la fuga que existe desde la ranura de alta presión pasando la zona que separa las ranuras hacia la de baja presión que la sigue. Otro atributo inherente del diseño del compresor de tornillo sencillo es que la ranura tiene un área mayor hacia su descarga que en el centro de esta. Este atributo también minimiza la fuga de gas desde las áreas donde al gas esta a mayor presión hacia las ranuras donde éste está a menor presión.
Otra área donde la fuga es minimizada es entre el lado de alta presión de al ranura hacia la parte posterior del rotor principal al cual esta a la presión de succión. Este posible punto de fuga es sellado por medio de un sello hidrodinámico de no-contacto que se conoce por el nombre de sello de viscosidad o por la fuerza opuesta por el gas que se está siendo comprimido o por un sello de laberinto.
SISTEMA DE SELLO DE ACEITE
UN sistema de sello del acople previene que ningún gas de proceso se escape hacia el medio ambiente alrededor del eje de acople del rotor principal. El compresor de tornillo inundado en aceite tiene dos tipos de sellos: El sello tipo estándar de un sola cara o el sello de tipo de triple cara con capacidad d purga dependiendo de los requerimientos del proceso. La parte del carbón estacionaria del sello esta sobre una película (capa) hidrodinámica de aceite en el anillo rotativo que esta fijo en el acople. El triple sello opcional permite varias opciones incluyendo que una purga y una descarga sean conectadas a la carcaza por lo que le estaría añadiendo una seguridad secundaria durante la operación. La incorporación de este sello se muestra en el corte transversal del lado de gas inundado en aceite.
DISEÑO
Cada ensamble rotativo dentro del lado de un gas tiene dos sets de rodamientos. Un compresor típico de tonillo sencillo inundado en aceite consiste en dos estrellas laterales y un rotor principal, cada uno teniendo un par de rodamientos de contacto angular para mantener la posición axial de ensamblaje y un cojinete de rodillos para soportar el lado opuesto. Todos los rodamientos son alimentados de aceite por presión. El aceite, cuando se drena de los rodamientos, es conducido hacia la succión del rotor principal y es descargado junto con el gas y el aceite inyectado. Como el rotor principal no tiene cargas excepto por la gravedad, los rodamientos se consideran sobre diseñado debido a que son determinados por el diámetro requerido por el eje de acople para los caballos de fuerza aplicados. El diseño del tornillo sencillo no limita los tamaños de los rodamientos para los soportes de las estrellas laterales. Como resultado, los rodamientos son optimizados para una confiabilidad máxima.
UN sistema de sello del acople previene que ningún gas de proceso se escape hacia el medio ambiente alrededor del eje de acople del rotor principal. El compresor de tornillo inundado en aceite tiene dos tipos de sellos: El sello tipo estándar de un sola cara o el sello de tipo de triple cara con capacidad d purga dependiendo de los requerimientos del proceso. La parte del carbón estacionaria del sello esta sobre una película (capa) hidrodinámica de aceite en el anillo rotativo que esta fijo en el acople. El triple sello opcional permite varias opciones incluyendo que una purga y una descarga sean conectadas a la carcaza por lo que le estaría añadiendo una seguridad secundaria durante la operación. La incorporación de este sello se muestra en el corte transversal del lado de gas inundado en aceite.
DISEÑO
Cada ensamble rotativo dentro del lado de un gas tiene dos sets de rodamientos. Un compresor típico de tonillo sencillo inundado en aceite consiste en dos estrellas laterales y un rotor principal, cada uno teniendo un par de rodamientos de contacto angular para mantener la posición axial de ensamblaje y un cojinete de rodillos para soportar el lado opuesto. Todos los rodamientos son alimentados de aceite por presión. El aceite, cuando se drena de los rodamientos, es conducido hacia la succión del rotor principal y es descargado junto con el gas y el aceite inyectado. Como el rotor principal no tiene cargas excepto por la gravedad, los rodamientos se consideran sobre diseñado debido a que son determinados por el diámetro requerido por el eje de acople para los caballos de fuerza aplicados. El diseño del tornillo sencillo no limita los tamaños de los rodamientos para los soportes de las estrellas laterales. Como resultado, los rodamientos son optimizados para una confiabilidad máxima.
El diseño de válvulas
deslizantes duales del compresor de tornillo sencillo ofrece el nivel
mas alto de flexibilidad y una optima operación en este tipo de
compresores. Este diseño en realidad tiene dos válvulas deslizantes por
el lado de compresión en el lado del gas. Las dos válvulas deslizantes
son conocidas comúnmente como válvula deslizante de capacidad y
válvula deslizante de volumen. La válvula deslizante de capacidad se
mueve entre posiciones de 20 % al 100 % de flujo para permitir que el
compresor iguale los requerimientos de flujo del sistema. Mientras que
índices de flujo más bajos son posibles, no son recomendados debido a
que esto reduce la cantidad de aceite que esta fluyendo lo que puede
resultar en sobrecalentamiento. La válvula deslizante de volumen
permite que el puerto de descargar se situé en una posición optima
dependiendo de las posición de la válvula deslizante de capacidad y las
propiedades del gas.
Una característica única de este diseño dual de válvulas deslizantes es que permite al compresor a arrancar completamente descargado. En esto se diferencia a cualquier otro compresor de tornillo. Cuando ambas válvulas deslizantes están en posición abierta, un paso sin restricción de flujo a través del compresor es creado. Si por cualquier razón el lado del gas esta completamente lleno de aceite, la posición de las válvulas deslizantes al momento del arranque permitirá que el aceite sea arrastrado hacia la descarga previniendo la posibilidad de una traba hidráulica. Las válvulas deslizantes también permiten la operación de radios extremadamente bajos, hasta 1.2. Sin embargo, los puntos de operación recomendados para una eficiencia óptima de diseño ocurre a radios de presión de 2.0 o mayores. Debido a su diseño, los compresores de tornillo sencillos pueden operar mas eficientemente y seguros y con presiones de succión mas altas y radios mas bajos que otro tipo de compresores de tornillo.
Una característica única de este diseño dual de válvulas deslizantes es que permite al compresor a arrancar completamente descargado. En esto se diferencia a cualquier otro compresor de tornillo. Cuando ambas válvulas deslizantes están en posición abierta, un paso sin restricción de flujo a través del compresor es creado. Si por cualquier razón el lado del gas esta completamente lleno de aceite, la posición de las válvulas deslizantes al momento del arranque permitirá que el aceite sea arrastrado hacia la descarga previniendo la posibilidad de una traba hidráulica. Las válvulas deslizantes también permiten la operación de radios extremadamente bajos, hasta 1.2. Sin embargo, los puntos de operación recomendados para una eficiencia óptima de diseño ocurre a radios de presión de 2.0 o mayores. Debido a su diseño, los compresores de tornillo sencillos pueden operar mas eficientemente y seguros y con presiones de succión mas altas y radios mas bajos que otro tipo de compresores de tornillo.
Como las válvulas de capacidad
y de volumen operan paralelamente, (no en serie como otro tipo de
compresores de tornillo), una característica importante del compresor
de tornillo sencillo es la habilidad de operar con eficiencia óptima a
cargas parciales. Otros tipos de compresores de tornillos tienen
válvulas duales deslizantes que operan en serie. Esto da como resultado
que una de las válvulas deslizantes bloquee parte del puerto detrás de
la otra válvula creando un restricción y una penalidad de desempeño a
cargas parciales.
Conclusiones.
Los compresores de tornillo sencillos tienen muchos atributos de diseño que los hacen ideales para una gran variedad de aplicaciones de compresores de proceso. Estos atributos incluyen un alto nivel de seguridad y eficiencia, demostrada versatilidad y la habilidad para operar a un alto diferencial y presiones de descarga.
El compresor de tornillo sencillo tiene una historia comprobada de economía y servicio seguro en compresión de aire, aire acondicionado y en la industria de la refrigeración. Hoy en día están proporcionando el mismo nivel de calidad de servicio a la industria petroquímica y la industria de proceso de alimentos.
Conclusiones.
Los compresores de tornillo sencillos tienen muchos atributos de diseño que los hacen ideales para una gran variedad de aplicaciones de compresores de proceso. Estos atributos incluyen un alto nivel de seguridad y eficiencia, demostrada versatilidad y la habilidad para operar a un alto diferencial y presiones de descarga.
El compresor de tornillo sencillo tiene una historia comprobada de economía y servicio seguro en compresión de aire, aire acondicionado y en la industria de la refrigeración. Hoy en día están proporcionando el mismo nivel de calidad de servicio a la industria petroquímica y la industria de proceso de alimentos.
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