El compresor Scroll se puede considerar como la última generación de los compresores rotativos de paletas, en los cuáles éstas últimas han sido sustituidas por un rotor en forma de espiral, excéntrico respecto al árbol motor, que rueda sobre la superficie del estator, que en lugar de ser circular tiene forma de espiral, concéntrica con el árbol motor.
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El contacto entre ambas superficies espirales se establece, en el estator, en todas sus generatrices, y en el rotor también en todas sus generatrices.
Como se puede comprobar, hay otra diferencia fundamental respecto a los compresores rotativos de paletas, y es la de que la espiral móvil del rotor no gira solidariamente con este último, sino que sólo se traslada con él paralelamente a sí misma.
Fig 1.- Vista del conjunto árbol motor-rotor del compresor Scroll, y conjunto espiral móvil-eje del motor
Rodadura sin deslizamiento: En la teoría de engranajes, los flancos de los dientes de un par de ruedas dentadas se diseñan de modo que sean perfiles de evolvente de círculos (la evoluta es, en este caso particular, un circulo denominado circulo base), con el objeto de conseguir así que los dientes rueden uno sobre el otro sin deslizamiento.
En el caso del compresor Scroll, el hecho de que los perfiles de las dos espirales sean de evolvente, permite a la espiral móvil rodar sin deslizamiento sobre la espiral fija, cumpliéndose en todo momento la alineación de los centros de las dos espirales y el punto de contacto entre ambas.
Funcionamiento: En este tipo de compresores, las celdas o cámaras de compresión de geometría variable y en forma de hoz Fig 1. están generadas por dos caracoles o espirales idénticas, una de ellas, la superior, fija (estator), en cuyo centro está situada la lumbrera de escape, y la otra orbitante (rotor), estando montadas ambas frente a frente, en contacto directo una contra la otra Fig 2.
La espiral fija y la móvil cuyas geometrías se mantienen en todo instante desfasadas un ángulo de 180º, merced a un dispositivo antirotación, están encajadas una dentro de la otra de modo que entre sus ejes hay una excentricidad e, Fig 2 en orden a conseguir un movimiento orbital de radio e del eje de la espiral móvil alrededor del de la espiral fija.
Fig 2.- Volutas fija y móvil
Fijándose exclusivamente en el conjunto (árbol motor-rotor) Fig 1, con cada giro de 360º del árbol motor se imprime a la espiral inscrita en el plato, rotor excéntrico, los dos movimientos siguientes:
a) Uno de rotación de 360º alrededor de su eje, (que tendría lugar igualmente si el valor de e fuera nulo)
b) Otro simultáneo de traslación paralela a si misma alrededor del eje del árbol motor (que no se produciría si el valor de e fuese nulo).
Si se desea que la espiral describa únicamente éste último movimiento de traslación orbital sin la rotación producida por el hecho de estar solidariamente sujeta al plato, es necesario eliminar mediante un dispositivo antirotación, ésta última unión rígida, lo que se consigue montando la espiral móvil sobre un simple cojinete vertical de apoyo, concéntrico con ella.
Fig 3a- Vistas del compresor Scroll en diversas etapas de funcionamiento
Fig 3b- Vistas del compresor Scroll en diversas etapas de funcionamiento
De esta manera, el giro del árbol motor o cigüeñal arrastra al conjunto del caracol móvil, haciéndole describir alrededor del árbol motor (y por lo tanto alrededor del centro del caracol fijo, punto donde está situada la lumbrera de escape), una órbita de radio e sin rotación simultánea. Como consecuencia de este movimiento, las mencionadas celdas, y el vapor atrapado en ellas, son empujadas suavemente hacia el centro de la espiral fija, al mismo tiempo que su volumen se va reduciendo progresivamente, comprimiendo el vapor; cuando éste llega al centro de la espiral fija, se pone en comunicación con la lumbrera de escape ubicada en él, produciéndose de esta manera la descarga del vapor.
Fig 4.- Diversas posiciones de las volutas
El funcionamiento se puede descomponer en las tres fases siguientes:
Aspiración:
En la primera órbita, 360º, en la parte exterior de las espirales se forman y llenan completamente de vapor a la presión p1 dos celdas de volumen V1
Compresión:
En la segunda órbita, 360º, tiene lugar la compresión a medida que dichas celdas
disminuyen de volumen y se acercan hacia el centro de la espiral fija, alcanzándose al final de la segunda órbita, cuando su volumen es V2, la presión de escape p2.
Descarga:
En la tercera y última órbita, puestas ambas celdas en comunicación con la lumbrera de
escape, tiene lugar la descarga (escape) a través de ella.
Cada uno de los tres pares de celdas, estarán en cada instante en alguna de las fases descritas, lo que origina un proceso en el que la aspiración, compresión y descarga tienen lugar simultáneamente y en secuencia continua, eliminándose por esta razón las pulsaciones casi por completo.
Presión final de compresión:
Todo lo dicho para los compresores helicoidales, es válido también para el compresor Scroll. Al igual de lo que acontecía con el compresor helicoidal, en el caso del Scroll pueden asimismo presentarse los tres casos representados en la Fig 5.
Regulación de la capacidad:
Algunas compresores utilizan una válvula deslizante o de corredera montada en el estator, que permite abrir secuencialmente una serie de lumbreras de by-pass practicadas en el fondo de él, variándose de esta forma el valor del volumen V1 de vapor realmente admitido
en el compresor, sistema similar al descrito en la regulación de los compresores de tornillo.
Fig 5.- Presión final de compresión; casos posibles
Si todas las lumbreras de by-pass permanecen cerradas, únicamente queda abierta la de escape, proporcionando el compresor en este caso el máximo de su capacidad. Este sistema consigue una regulación suave y progresiva de la capacidad del compresor.
Otros compresores consiguen un cierto grado de regulación mediante la fabricación de unidades múltiples equipadas con dos o más compresores Scroll de tamaños iguales, o diferentes, montados en paralelo, lo que permite cubrir una amplia gama de capacidades frigoríficas y fraccionar la potencia frigorífica de modo escalonado.
A título de ejemplo, una unidad tándem compuesta por dos compresores diferentes, uno del 40% y el otro del 60% de la potencia frigorífica total, posibilita el escalonamiento siguiente: 40% (funcionando sólo el primero), 60% (idem el segundo) y 100% (idem los dos).
Para los tamaños pequeños, y si la frecuencia de paradas y puestas en marcha no es excesiva, se utiliza el control “on-off”, parando y arrancando el motor por medio de un termostato o un presostato.
Campo de utilización.- Se emplean en el campo de los pequeños desplazamientos (aire acondicionado y bomba de calor en viviendas) para potencias frigoríficas comprendidas entre 5 y 100 kW, ocupando un espacio intermedio entre los compresores rotativos y los alternativos. Hasta la fecha se fabrican solamente herméticos.
El vapor se introduce en la carcasa del compresor, por su parte inferior, en donde está situado el motor, pasando por entre los devanados del estator y rotor, refrigerándolos; a la salida del motor el vapor reduce su velocidad facilitándose de este modo la separación de la mayor parte del aceite arrastrado por el vapor de aspiración.
Lubricación:
La lubricación de los dos cojinetes del cigüeñal y el de apoyo de la espiral móvil, se realiza con aceite impulsado a través del interior del cigüeñal mediante una bomba centrífuga sumergida en el cárter y movida por el mismo cigüeñal. Este circuito de aceite está totalmente separado de las superficies de contacto de ambas espirales, cuya lubricación está asegurada por la pequeña cantidad de aceite arrastrado por el vapor de aspiración.
Pérdidas mecánicas por rozamiento:
La inexistencia de juntas y segmentos en los compresores Scroll, característica común también a los helicoidales, hace que las pérdidas mecánicas por rozamiento en este tipo de compresores, sean más bajas en comparación con las que se producen en los compresores
alternativos.
Estanqueidad:
Para conseguir la estanqueidad suelen llevar mecanizada en el borde superior de
ambas espirales una ranura que cumple el mismo cometido de sellado que los segmentos en los pistones de los compresores alternativos. Si entre ambos lados de la ranura (dos celdas en diferentes estadios de compresión) existe una diferencia de presiones Dp, el caudal de fluido (vapor o gas) que se filtrará de una celda a la otra, disminuyendo el rendimiento volumétrico del compresor, será tanto menor cuanto mayor sea la resistencia que se oponga a dicho flujo.
Esta resistencia, que es función de la holgura existente entre las superficies en contacto de ambas espirales, se aumenta practicando la ranura antes mencionada, que recibe el nombre de cámara de alivio. Su misión es originar un ensanchamiento brusco seguido de una contracción de la vena fluida, dos resistencias adicionales que no se presentarían de no existir dicha acanaladura. La diferencia de presiones Dp entre dos cámaras de compresión adyacentes, es siempre menor que la (pc - pe) generada por el compresor, lo que evidentemente disminuye todavía más el riesgo de fugas y filtraciones.
VENTAJAS:
Los circuitos frigoríficos y de bomba de calor que utilizan compresor Scroll alcanzan
valores del COP inusualmente altos, posibles únicamente debido al elevado rendimiento volumétrico que tiene este compresor para todas las condiciones de funcionamiento que pueden presentarse (relaciones de compresión diversas).
Las causas de este buen rendimiento volumétrico son:
a) Inexistencia de espacio muerto perjudicial.
b) Ausencia de válvulas de admisión y escape así como de segmentos que elimina tanto posibles retrasos en su apertura como inestanqueidades.
c) El contacto, tanto en los flancos de las espirales como en sus bases y bordes superiores, es perfecto y constante (adaptabilidad axial y radial muy buena).
d) Mínimo efecto de pared merced a la separación física de las zonas de aspiración (exterior espirales) y des-carga (interior espirales)
Otra consecuencia beneficiosa del elevado rendimiento volumétrico que poseen este tipo de compresores es su menor desplazamiento o tamaño, comparado con el necesario para un alternativo de la misma potencia frigorífica.
La simultaneidad conque se producen la aspiración, compresión y escape del vapor en un compresor Scroll, en comparación con las fases correlativas en las que ocurren en uno alternativo, hace que las variaciones del par motor en un compresor Scroll sean mucho más reducidas que en uno alternativo, disminuyendo por esta razón los esfuerzos a que está sometido el motor así como las vibraciones; a señalar igualmente la ausencia casi total de pulsaciones.
-Una elevada fiabilidad de funcionamiento, lo que se traduce en un indice muy bajo de fallos, debido principalmente a los tres aspectos de diseño siguientes:
a) Pequeño número de partes móviles, un 60% menos que en un compresor alternativo
b) Ausencia de válvulas
c) Buena resistencia frente a los esfuerzos causados por la llegada al compresor de líquido y/o partículas sólidas (suciedad)
Excelente nivel sonoro, (6 db), menor que el de los compresores alternativos de su rango y ésto debido a que la espiral móvil rueda sin deslizamiento sobre la espiral estacionaria
- Como la espiral móvil rueda sin deslizamiento sobre la espiral estacionaria, el desgaste experimentado por las superficies espirales en contacto es mínimo.
Tamaño y peso pequeño, un 40% y un 15% menor que el de uno alternativo, respectivamente.
INCONVENIENTES.
El hecho de no estar inherentemente equilibrado, al contrario de lo que sucede con los compresores de tornillo, impone un límite e impide de modo decisivo la fabricación de
compresores Scroll de tamaños grandes.
A presiones de escape altas, las dos espirales, la estacionaria y la orbital, tienden a separarse
debido al empuje generado por la presión interna del vapor; esto se traduce en un aumento de las holguras, lo que a su vez reduce el rendimiento del compresor. Para evitar este aspecto negativo, algunos fabricantes utilizan espirales compensadas en presión, haciendo gravitar la presión de alta o una intermedia en el reverso de al menos una de las espirales.
Selección.- La selección del compresor más adecuado a las necesidades de proyecto, se efectúa mediante las curvas características suministradas por el fabricante. En ellas se indica, para cada par de presiones de condensación y evaporación, la potencia frigorífica producida y la eléctrica consumida. por cada modelo de compresor que utiliza un fluido frigorígeno determinado y en base a unos valores de recalentamiento y subenfriamiento que varían de unos catálogos a otros. Es norma que los distintos tamaños de compresores de una misma firma tengan idéntico perfil de espirales, pero diferentes alturas axiales y, por lo tanto, distintos desplazamientos.
COMO PROBAR E IDENTIFICAR LAS BOBINAS DE UN COMPRESOR👀👇👇
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