Compresores para la industria del transporte

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Compresores para la industria del transporte

Compresores para la industria del transporte Parte de la evolución de los compresores incluye el tamaño y eficiencia energética. Hay compresores para vehículos que son resultado de varios años de experiencia en la refrigeración móvil. Son utilizados de forma estándar en la climatización y en la refrigeración del transporte para mantener la cadena de frío. Los compresores para el transporte han evolucionado junto con la industria HVACR. Sus diversas aplicaciones son fundamentales, ya que transitar a altas temperaturas sin aire acondicionado o transportar mercancías sin respetar la cadena de frío puede ocasionar daños a la salud e irreparables pérdidas materiales. En ese sentido, las bajas temperaturas no serían posibles sin la utilización de compresores. Al compresor se le considera el corazón del sistema de refrigeración, y su función es aumentar la presión desde el nivel de la presión de aspiración hasta el nivel de la presión de descarga. De acuerdo con el ingeniero Javier Ortega, especialista en compresores, “los compresores para refrigeración, aire acondicionado y bombas de calor deben de cumplir con los estándares, especificaciones y pruebas dimensionales de funcionamiento, aplicación y eléctricas materiales”. Mediante métodos que aseguran la calidad, los compresores nuevos deben cumplir el cien por ciento de las especificaciones o normas bajo las cuales han sido diseñados. Estos métodos de aseguramiento de calidad incluyen análisis estadísticos y auditorías diarias, con la frecuencia y cantidad requerida. “Como fabricante, es muy importante contar con laboratorios de gran capacidad de pruebas funcionales (mecánicas y eléctricas), de materiales, química, de metrología y metalúrgica, análisis de fallas, entre muchas otras”, menciona Javier Ortega. Las normas de calidad que destacan en refrigeración son: AHRI, CSA, UL, ASTM, ASHRAE y NOM, por mencionar algunas. Si los usuarios o clientes instalan y operan los compresores de acuerdo con los estándares requeridos y especificaciones de instalación y aplicación señaladas por los fabricantes, no debe de existir ninguna falla. Sin embargo, es común encontrar que los problemas se presentan cuando se utilizan para aplicaciones distintas a las señaladas, se rebasa el límite de capacidad o el refrigerante se sustituye de manera incorrecta. Al arranque de un sistema nuevo es importante revisar la aplicación del compresor, así como de los componentes del ciclo para confirmar que sean correctas. El ingeniero Ortega señala que, cada determinado tiempo, es recomendable revisar el sistema donde el compresor fue instalado (limpieza, fugas en tuberías, en juntas, presiones y temperaturas del ciclo, aplicación, entre otras). Por ejemplo, si el aceite está sucio debido a un mal sistema o aplicación, se deberá cambiar. Si el sistema está bien, no será necesario hacer algo. Si el ambiente donde se encuentra instalado el compresor es sucio, será necesario hacer estas revisiones del sistema en una forma más frecuente. Es importante recordar que, además de los cuidados y revisiones del compresor, es necesario monitorear y dar mantenimiento a todo el sistema. “Para la producción de miles de compresores, no se puede comprometer la calidad. Se debe de cumplir rigurosamente con todos los estándares y normas de ingeniería que aseguren calidad total. Únicamente de esta manera se pueden producir de forma óptima esas cantidades, asegurando la satisfacción del cliente y óptimo desempeño de los equipos. La palabra calidad es un concepto que debe darse como un entendido; no se puede pensar bajo ningún concepto en una calidad menor o mediocre. Los fabricantes deben mostrar compromiso con sus clientes y usuarios finales”, expresa Javier Ortega. Transporte terrestre Para estas aplicaciones, se puede emplear un compresor recíproco de disco de aluminio, ya que son equipos más livianos y compactos. Algunas ventajas de esta serie son el alto grado de efectividad para una rentabilidad máxima, con un consumo de energía mínimo; el accionamiento mediante acoplamiento electromagnético, la regulación de potencia y las camisas de cilindro intercambiables para un mejor mantenimiento. Estos compresores pueden usarse con refrigerantes modernos sin cloro. Por ejemplo, el F400Y de Bitzer fue desarrollado especialmente para sistemas de aire acondicionado en autobuses de capacidad media o pequeña. Sus datos de rendimiento incluyen una temperatura de succión de gas de 20ºC sin sub enfriamiento de líquido; velocidad del compresor: 1 mil 450 rpm. Factores de conversiónEl compresor está optimizado para la aplicación con el motor del vehículo en velocidad variable.Datos técnicosLímites de aplicación. Velocidad del compresor: 1 mil 450 rpm To: Temperatura de evaporación de gas, Tc: Temperatura de condensación, Toh: Temperatura de succión de gas Volumen de cilindro para compresores en sistemas de aire acondicionado de transporte VOLUMEN DEL CILINDRO EN CM³ F400 -399.5 4UFC -400 4TFC -475 4PFC -558 4NFC -647 6UFC -600 6TFC -713 6PFC -836 6NFC -970 Compresor scroll, semihermético, de aluminio Los compresores scroll de refrigeración se empelan exitosamente en transporte automotor de carga refrigerada y contenedores marinos. Los fabricantes de equipos en la industria del transporte refrigerado están usando esta tecnología para obtener el control de temperatura más confiable en contenedores de transporte refrigerado, ya que este tipo de compresión permite una innovadora forma de modular la capacidad del compresor (de 10 a 100 por ciento) para que coincida con la carga de refrigeración. Este encare aumenta la eficiencia energética hasta en 30 por ciento en aplicaciones de transporte con capacidad de mantener temperaturas precisas a más-menos medio grado Fahrenheit. La tecnología scroll ha logrado entrar sin dificultad en el mercado de transporte, especialmente en manejo y conservación de alimentos y otros productos sensibles por su alta eficiencia y, gracias a que su menor número de partes lo hace más tolerante a golpes de líquido en el compresor. En esta área su menor vibración y diferencial de temperatura ayudan a mejorar costos de operación, reducción de fallas y facilidad de uso. Diferencias de diseño para refrigeración y aire acondicionado Debido a que los scroll de refrigeración operan sobre un rango más amplio de temperaturas y relaciones de compresión, existen algunas diferencias de diseño entre equipos para refrigeración y para aire acondicionado. La temperatura de descarga no es el único problema que puede encontrarse a bajas temperaturas de evaporación y temperaturas elevadas de condensación. También hay relaciones de presión significativamente más altas que aumentan estrés sobre los elementos del scroll. Estos aumentos de la producción de compresión también pueden afectar el puerto de descarga, generando flujo de retorno hacia el scroll que puede afectar el consumo de energía significativamente produciendo recompresión de una porción del gas de descarga. Una de las características del compresor scroll de refrigeración es el mecanizado especial para elevadas relaciones de compresión. El mecanizado incrementa la fuerza e incluso reducción en el volumen final de descarga, provocando aumento en la relación de volumen e inherentemente en la relación de compresión. Una de las modificaciones incorporadas al scroll es el uso de una válvula dinámica de descarga para controlar el reflujo, reduciéndolo sin crear restricciones u obstrucciones adicionales en la vía y combinado con un puerto de dimensiones reducidas para las condiciones de bajas temperaturas de evaporación y el flujo de baja masa resultante. Adicionalmente, el uso de esquemas de inyección de vapor y de inyección de líquido  sirve para aumentar el rango de operación. La inyección de vapor e inyección de líquido también crean la necesidad de usar conexiones externas, tubería interna adicional y puertos de inyección. Beneficios de las unidades de aire acondicionado para autobuses Entre sus funciones se encuentran: enfriamiento, recalentamiento, ventilación y calefacción Diseños modernos Algunas partes estructurales están construidas de plástico reforzado con fibra de vidrio para mayor resistencia Emplean refrigerantes ecológicos Aire fresco dentro del transporte La cantidad de aire en el autobús se ajusta continuamente Algunos transportes pueden equiparse con un sistema de calefacción de agua. La energía térmica necesaria es tomada del sistema de enfriamiento del autobús Los compresores scroll tienen una ventaja inherente de 5 a 10 por ciento de rendimiento por encima de compresores rotativos a pistón que se manifiesta en reducción de fugas de gar y pérdidas de flujo. Equipos scroll en general tienen prácticamente cero fugas de gas, en comparación con máquinas rotativas con holgaduras fijas de operación. Mantienen su capacidad de sellado durante el funcionamiento normal, ya que las partes aparejadas se desgastan juntas en su encastre, es decir, se acoplan entre ellas con el uso. Por otra parte, en los compresores scroll de aire acondicionado, las pérdidas de fluido también se reducen, debido a la ausencia de válvulas en la succión y descarga. Cuando se usan en refrigeración, el uso de una válvula para relaciones de compresión mayor a cinco, también manifiesta mejoras significativas en eficiencia volumétrica al compensar pérdidas inherentes de fluido asociadas a la válvula. Otro efecto de la válvula de descarga y el puerto menor es la disminución de la recompresión de gas, lo que produce menor intercambio de calor entre el gas de descarga y de succión, ayudando a crear una curva plana de eficiencia volumétrica. Los compresores scroll funcionan generalmente mejor en aplicaciones de refrigeración que algunos compresores semiherméticos. Sin embargo, el rendimiento del compresor scroll puede presentarse en desventaja en relación al compresor semihermético de alta eficiencia. La inyección de vapor puede usarse para mejorar el compresor scroll y el rendimiento del sistema, al proporcionar al líquido mayor subenfriamiento. Esta mejora de rendimiento puede igualar generalmente la elevada eficiencia de los compresores semiherméticos en las mismas condiciones de operación. Para los trenes, es común observar compresor recíproco semi hermético. Una de sus cualidades es que tienen bajo nivel de vibración. A través de la operación sincronizada, la capacidad de enfriamiento del compresor se puede incrementar 70%, en comparación con la velocidad fija de 50 Hz. También se les puede utilizar para la refrigeración en grúas y barcos. Datos de rendimiento Basado en una succión de gas sobrecalentado de 10 k sin un subenfriamiento de líquido, a una operación de 26 volts. Tipo de compresor temperatura de condensación Capacidad de enfriamiento Qo [Watt] R134a Temperatura de succión saturada ºC 15, 12, 5, 10, 7,5, 5, 0 30 Qo 6720 6090 5520 5000 4520 3680 ECH209Y 40 Qo 5800 5250 4750 4300 3880 3160 50 Qo 4780 4330 3920 3550 3210 55 Qo 4280 3880 3520 3190 2880 Haciendo uso del diagrama de Mollier se obtendrán los siguientes datos: Presión absoluta de condensación a + 45° C = 11.6 bar Presión de evaporación absoluta a -10° C = 2 bar Entalpía en el punto 2 (según software) = 459.14 Temperatura en el punto 2 (según software) = 79.2° C Entalpía en el punto 3 y 4 = 260.90 kj/kg Entalpía en el punto 1 = 406.12 kj/kg Temperatura en el punto 1 = +6° C Volumen específico punto 1 = 0.1072 m3/h Entropía en el punto 1 = 1.7861 Kj/kg Entalpía en el punto 1’ = 401.02 kj/kg Temperatura en el punto 1’ = 0° C Entalpía en el punto 1’’ = 392.58 kj/kg Temperatura en el punto 1’’ = -10° C Entalpía en el punto 2 = 459.14 Elección del compresor ¿A quién no se le ha presentado más de una vez el problema de no poseer información de un compresor debido a que la marca no existe o el modelo está descontinuado? Según el ingeniero Roberto Venturi, sales international engineer customer support de Bitzer Alemania, en estos casos la única información que se tiene es la que ofrece la placa de características del compresor. El voltaje, frecuencia, presiones máximas y el desplazamiento están siempre grabados en la placa de características del compresor. “El desplazamiento del compresor es suficiente para calcular la potencia frigorífica del compresor a las condiciones de trabajo y refrigerante que se elijan. Para realizar este cometido se puede usar la hoja de trabajo DKV 3-01, de la Asociación Alemana de Refrigeración (Deutsche Kaeltetechnischer Verein), la cual ofrece la posibilidad de calcular el rendimiento volumétrico total y el rendimiento indicado de compresor”, menciona Venturi. Aplicando este criterio se seleccionará el compresor para la siguiente instalación frigorífica: Capacidad frigorífica 16 kW Refrigerante R -134a Temperatura de condensación +45° C Temperatura a la salida del condensador +43° C Temperatura de evaporación -10° C Temperatura a la salida del evaporador -2° C Temperatura a la entrada de la conexión del compresor -0° C Temperatura a la entrada del plato de válvulas +6° C Caudal másico de refrigerante 415 kg/h = 0.1153 kg/s Espacio neutro o muerto del compresor 1,2 % = εo(ε) 0.012 Eficiencia del motor 92 % = ηel 0.92 La selección de un tipo de compresor dependerá de las consideraciones técnicas y económicas TÉCNICAS Disponibilidad en el tamaño requerido Compatibilidad con los tipos ya existentes en operación Fiabilidad, seguridad y flexibilidad bajo variaciones de presión Conveniencia para operación remota o manual Consideraciones ambientales (emisiones, niveles nocivos) ECONÓMICAS Costo de capital, de mantenimiento y operación, y costo de combustible Transporte marítimo Generalmente se emplean compresores tipo tornillo para el aprovisionamiento de aire comprimido en barcos. Éstos deben responder a altas exigencias que suelen superar por mucho lo que se espera de instalaciones habituales de aire comprimido. Los equipos instalados en barcos producen aire de trabajo, aire comprimido para aplicaciones especiales, como el suministro de nitrógeno, y cualquier fallo de funcionamiento supone costos. Por ello, la fiabilidad es una de las características con las que debe cumplir. Los compresores se refrigeran por aire y agua fresca, que puede ser también agua de mar. Junto con las versiones de carcasa cerrada, están disponibles otras abiertas, sin carcasa; por lo general, tienen dimensiones menores que las de las versiones equivalentes para industria, adaptándose al reducido espacio del que disponen los barcos. Los compresores para producción de aire de trabajo tienen potencias comprendidas entre los 5.5 y los 75 kW, están refrigerados por aire y producen caudales desde 54 hasta 720 m³/h a 8 bar. gráfica 1 El indicador de Watt Mediante el uso del indicador de Watt es posible transcribir gráficamente los diagramas reales de funcionamiento de los compresores. La idea y diseño fue realizado por James Watt. La traducción gráfica de estos fenómenos puede fácilmente representarse en el diagrama de Clapeyron, sobre el cual puede trazarse la gráfica de las variaciones de la presión en función de la posición del pistón en el cilindro por cada vuelta del cigüeñal. El diagrama que se obtiene es un diagrama cerrado (gráfica 1) que puede trazarse mediante el uso del indicador de Watt. De la utilización de este aparato se deducen los términos de trabajo indicado y potencia indicada Funcionamiento indicador de Watt (gráfica 2) En el cilindro (A) que rota alrededor el eje (S) se coloca una hoja de papel milimetrado El eje (S) es accionado por el movimiento alternativo que produce el pistón Esta rotación es proporcional al volumen ocupado por el gas en el cilindro La presión ejercida por el pistón del compresor es transmitida al pistón (P) del cilindro (F) La fuerza ejercida en la cara inferior del pistón (P) se equilibra a través del resorte (R), causando el movimiento del punto (B); éste se desplaza verticalmente de manera proporcional a la presión ejercida en el cilindro La pluma estilográfica (C) escribirá sobre el papel milimetrado las variaciones de presión en función del volumen ocupado por el gas en el cilindro. El resultado es un diagrama cerrado cuya configuración es la del diagrama mostrado en la gráfica 1. Trabajo Indicado Wi Roberto Venturi explica que para mover el pistón y levantar la presión de evaporación Po a la presión de descarga Pc hace falta realizar una fuerza durante la carrera de compresión. El esfuerzo continuo en cada giro del cigüeñal conducirá al concepto del trabajo indicado Wi ya que el punto de aplicación de esta fuerza se desplazará a una longitud que es igual a la carrera del pistón. El resultado es: Wi = F . L Para evitar entrar en el mundo de los cálculos integrales se recurre a un sencillo procedimiento gráfico. Siendo (A) la superficie del diagrama 1, 2, 3, 4 (gráfica 3) es posible construir un rectángulo a, b, c, d, teniendo como base la longitud del diagrama y una altura que permita escribir: A = 1, 2, 3, 4 = área a, b, c, d = Wi. El área a, b, c, d representará un trabajo idéntico al gráfico 1, 2, 3, 4, teniendo en cuenta la acción constante de una presión cuyo valor es: Pm = a, b; es decir, la presión media indicada. Conocer la base del rectángulo a, d = 2, 4 permitirá determinar a, b para poder calcular fácilmente Wi. Potencia indicada Pi El cálculo de la potencia que el compresor necesita puede hacerse a partir del diagrama del indicador de Watt (gráfica 3). El área 1, 2, 3, 4 representa el trabajo indicado W que corresponde a un giro y a un cilindro, por lo que la potencia indicada de un compresor de (n) cilindros girando a (u) revoluciones será: P= W.n.u ÷ 60 = Watts El conducto de descarga de un compresor puede estar a 95°C en un día de calor y, a pesar de ello, sigue funcionando normalmente Gráfica 2 gráfica 3 Potencia efectiva Pe La potencia efectiva que es la aplicada al eje del compresor es necesariamente mayor que la potencia indicada Pi debido a los rozamientos que intervienen en las piezas en movimiento. Por consiguiente se tendrá: Pe > Pi El rendimiento volumétrico total o grado de entrega λ (lambda) está expresado como: λ = Vreal = mr x v1 = 1 Vgeo.   Vgeo. En donde: Vreal = Caudal volumétrico real en m3/s Vgeo.     = Caudal geométrico desplazado en m3/s mr = Caudal másico real del sistema de refrigeración en kg/s v1 = Volumen específico real en la conexión de succión en m3/kg La hoja de trabajo DKV 3-01 La hoja de trabajo DKV 3-01 fue diseñada con la intención de ofrecer un cálculo relativamente exacto del rendimiento volumétrico total λ (λ) y el rendimiento indicado η(η). Estos rendimientos son indispensables para el cálculo del desplazamiento geométrico del compresor y la potencia a utilizar en el compresor a una determinada condición de trabajo y capacidad frigorífica. Para facilitar al máximo el uso práctico se ha desarrollado un método en donde λ y η están en dependencia del espacio muerto, la relación de compresión y el caudal volumétrico del compresor. Para temperaturas de evaporación bajas (por debajo de -25° C) se toma en cuenta la influencia del recalentamiento del gas aspirado mediante el factor de corrección C; otros factores como la refrigeración por agua o por aire de las cabezas de los cilindros; flujo alternativo o flujo continuo, perdidas de estanqueidad, tipo de válvulas y recalentamientos en la línea de succión no se detallan por separado. El diagrama proporciona valores medios para las formas constructivas habituales; por ejemplo: las velocidades del gas a través de las válvulas de descarga y succión en el plato de válvulas se estimó entre 25 m/s y 30 m/s para compresores de amoniaco. Para que el diagrama pueda ser aplicable a compresores de freón, la velocidad no debería superar los 15-18 m/s. Los valores de la hoja de trabajo están pensados y calculados para compresores que ya llevan muchos años en funcionamiento y a los cuales se les han prestado servicio y mantenimiento. El error es aproximadamente de ± 5% para (1-λ) y (1-η). Para compresores nuevos y construcciones optimizadas el error puede ser mayor, así como para compresores que no han tenido el debido mantenimiento. El rendimiento volumétrico total o grado de entrega (λ) del compresor depende del tamaño, diseño y relación de compresión. Los compresores con muchos cilindros tienen un rendimiento menor que se atribuye al incremento del espacio muerto, superficie de las paredes de los cilindros y pérdidas de estanqueidad. A medida que la temperatura de evaporación decrece, baja el rendimiento, porque la relación de compresión aumenta y el recalentamiento de las paredes de los cilindros es mayor. A la hora de elegir un compresor lo más común es utilizar el software correspondiente o el catálogo del fabricante con las respectivas temperaturas de evaporación y condensación. El caudal volumétrico o cantidad de metros cúbicos de refrigerante que el compresor aspira por hora a una determina condición de trabajo no figuran en el software o catálogos del fabricante. Debido a que el compresor sólo puede aspirar gas, sería factible y quizás más sencillo elegir el compresor con base en el caudal volumétrico requerido. Al tener en cuenta este criterio bastaría conocer el volumen geométrico desplazado por el compresor para poder seleccionarlo. Por lo general, el desplazamiento del compresor viene dado en metros cúbicos por hora y es parte integral de los datos técnicos del compresor.