Un compresor de tornillo rotativo es un tipo de compresor de gas , como un compresor de aire , que utiliza un mecanismo de desplazamiento positivo de tipo rotativo. Estos compresores son comunes en aplicaciones industriales y reemplazan a los compresores de pistón más tradicionales donde se necesitan mayores volúmenes de gas comprimido, por ejemplo, para grandes ciclos de refrigeración como enfriadores , o para sistemas de aire comprimido para operar herramientas impulsadas por aire, como martillos neumáticos y llaves de impacto . Para tamaños de rotor más pequeños, la fuga inherente en los rotores se vuelve mucho más significativa, lo que lleva a que este tipo de mecanismo sea menos adecuado para compresores más pequeños que los compresores de pistón.
El compresor de tornillo es idéntico a la bomba de tornillo, excepto que las bolsas de material atrapado se hacen progresivamente más pequeñas a lo largo del tornillo, comprimiendo así el material retenido en ellas. Por lo tanto, el tornillo de un compresor de tornillo es asimétrico a lo largo de su longitud, mientras que una bomba de tornillo es simétrica en toda su longitud.
El proceso de compresión de gas de un compresor de tornillo rotativo es un movimiento de barrido continuo, por lo que hay muy poca pulsación o aumento repentino del flujo, como ocurre con los compresores de pistón. Esto también permite que los compresores de tornillo sean significativamente más silenciosos y produzcan mucha menos vibración que los compresores de pistón, incluso en tamaños grandes, y produce algunos beneficios en la eficiencia.
Los compresores de tornillo rotativo utilizan dos rotores espirales que engranan muy estrechamente para comprimir el gas. En un compresor de tornillo rotativo que funciona en seco, los engranajes de sincronización garantizan que los rotores macho y hembra mantengan una alineación precisa sin contacto, lo que produciría un desgaste rápido. En un compresor de tornillo rotativo lubricado con aceite, el aceite lubricante cubre el espacio entre los rotores, proporcionando un sello hidráulico y transfiriendo energía mecánica entre los rotores, lo que permite que un rotor sea impulsado completamente por el otro.
El gas entra por el lado de succión y se mueve a través de las roscas a medida que los tornillos giran. Los rotores engranados fuerzan el gas a través del compresor y el gas sale por el extremo de los tornillos. El área de trabajo es el volumen entre lóbulos entre los rotores macho y hembra. Es más grande en el extremo de admisión y disminuye a lo largo de la longitud de los rotores hasta el puerto de escape. Este cambio de volumen es la compresión.
La carga de admisión se introduce en el extremo de los rotores en el gran espacio libre entre los lóbulos macho y hembra. En el extremo de admisión, el lóbulo macho es mucho más pequeño que su homólogo hembra, pero los tamaños relativos se invierten en las proporciones a lo largo de las longitudes de ambos rotores (el macho se hace más grande y el hembra más pequeño) hasta que (tangencial al puerto de descarga) el espacio libre entre cada par de lóbulos es mucho más pequeño. Esta reducción en el volumen provoca la compresión de la carga antes de ser presentada al colector de salida. [1]
La eficacia de este mecanismo depende de que las holguras entre los rotores espirales y entre los rotores y la cámara para sellar las cavidades de compresión sean las adecuadas. Sin embargo, es inevitable que se produzcan algunas fugas y se deben utilizar velocidades de rotación altas para minimizar la relación entre el caudal de fuga y el caudal efectivo.
A diferencia de los sopladores Roots , los compresores de tornillo modernos se fabrican con perfiles diferentes en los dos rotores: el rotor macho tiene lóbulos convexos que encajan con las cavidades cóncavas del rotor hembra. Por lo general, el rotor macho tiene menos lóbulos que el rotor hembra, de modo que gira más rápido. Originalmente, los compresores de tornillo se fabricaban con perfiles de cavidad de rotor simétricos, pero las versiones modernas utilizan rotores asimétricos, y los diseños exactos de los rotores son objeto de patentes. [2]
Las capacidades de los compresores de tornillo rotativo se clasifican normalmente en caballos de fuerza (HP), pies cúbicos estándar por minuto ( SCFM )* y libras por pulgada cuadrada manométrica (PSIG). Para las unidades en el rango de 5 a 30 HP, el tamaño físico de estas unidades es comparable a un compresor de dos etapas típico. A medida que aumenta la potencia , existe una economía de escala sustancial a favor de los compresores de tornillo rotativo. Como ejemplo, un compresor compuesto de 250 HP es un equipo grande que generalmente requiere una base especial, alojamiento en el edificio y aparejadores altamente capacitados para colocar el equipo. Por otro lado, un compresor de tornillo rotativo de 250 HP se puede colocar en un piso de taller común utilizando una carretilla elevadora estándar . Dentro de la industria, un compresor de tornillo rotativo de 250 HP generalmente se considera un equipo compacto.
Los compresores de tornillo rotativo suelen estar disponibles en el rango de 5 a 500 HP y pueden producir flujos de aire superiores a 2500 SCFM. Mientras que la presión producida por un compresor de tornillo de una etapa está limitada a 250 PSIG, un compresor de tornillo de dos etapas puede ofrecer presiones de hasta 600 PSIG.
Los compresores de tornillo rotativo suelen funcionar de forma suave y con vibraciones limitadas, por lo que no requieren una base o un sistema de montaje especializados. Normalmente, los compresores de tornillo rotativo se montan utilizando soportes de aislamiento de goma estándar diseñados para absorber las vibraciones de alta frecuencia. Esto es especialmente cierto en los compresores de tornillo rotativo que funcionan a altas velocidades de rotación.
*En menor medida, algunos compresores se clasifican en pies cúbicos reales por minuto ( ACFM ). Otros se clasifican en pies cúbicos por minuto (CFM). El uso de CFM [3] para clasificar un compresor es incorrecto porque representa un caudal que es independiente de una referencia de presión, es decir, 20 CFM a 60 PSI.
El compresor de tornillo fue patentado por primera vez en 1878 por Heinrich Krigar en Alemania , sin embargo la patente expiró sin que se construyera una máquina funcional. [4] [5]
El compresor de tornillo de lóbulos helicoidales moderno fue desarrollado en Suecia por Alf Lysholm , quien era el ingeniero jefe de Ljungstroms Angturbin . Lysholm desarrolló el compresor de tornillo mientras buscaba una forma de superar el pico de presión del compresor en las turbinas de gas . Lysholm consideró primero un soplador de tipo Roots , pero descubrió que no podía generar una relación de presión lo suficientemente alta. En 1935, Ljungstroms patentó un compresor de tornillo de lóbulos helicoidales que luego fue ampliamente licenciado a otros fabricantes. Ljungstroms Angturbin AB pasó a llamarse Svenska Rotor Maskiner (SRM) en 1951. [4] [6]
En 1952, la primera máquina de corte Holroyd fue utilizada por la empresa de ingeniería escocesa Howden para producir rotores de compresores de lóbulos helicoidales, reduciendo enormemente tanto el costo como el tiempo de fabricación. [4] [5]
En 1954, Howden y SRM desarrollaron conjuntamente el primer compresor de tornillo inundado de aceite. La inundación proporcionaba refrigeración, lo que permitía relaciones de presión más altas, y la eliminación de los engranajes de distribución. El primer compresor de aire de tornillo inundado disponible comercialmente fue presentado en 1957 por Atlas Copco . [4] [5]
Las válvulas de ranura fueron desarrolladas por SRM en la década de 1950, lo que permitió mejoras en el control de capacidad que había sido un factor limitante para la aplicación de compresores de tornillo. [4] [5]
Los rotores asimétricos fueron patentados por primera vez por SRM y posteriormente introducidos comercialmente por Sullair en 1969. La introducción de rotores asimétricos mejoró el sellado, aumentando aún más la eficiencia del tipo. [4]
Los compresores de tornillo rotativo se utilizan generalmente para suministrar aire comprimido para aplicaciones industriales de mayor tamaño. Se aplican mejor en aplicaciones que tienen una demanda de aire continua, como plantas de envasado de alimentos y sistemas de fabricación automatizados, aunque una cantidad suficientemente grande de demandas intermitentes, junto con algo de almacenamiento, también presentarán una carga continua adecuada. Además de las unidades fijas, los compresores de tornillo rotativo se montan comúnmente en remolques remolcados y se impulsan con pequeños motores diésel. Estos sistemas de compresión portátiles se conocen normalmente como compresores de construcción. Los compresores de construcción se utilizan para proporcionar aire comprimido a martillos neumáticos, herramientas de remachado, bombas neumáticas, operaciones de chorro de arena y sistemas de pintura industrial. Se ven comúnmente en sitios de construcción y en servicio con equipos de reparación de carreteras en todo el mundo.
Los compresores de aire de tornillo también se utilizan comúnmente en plataformas de perforación rotativas, DTH y RC que se utilizan en aplicaciones de perforación de exploración y producción minera y en servicios de oleoductos y gasoductos, como pruebas neumáticas o limpieza con aire.
En un compresor sin aceite, el aire se comprime completamente mediante la acción de los tornillos, sin la ayuda de un sello de aceite. Por lo general, tienen una capacidad de presión de descarga máxima menor como resultado. Sin embargo, los compresores sin aceite de múltiples etapas, donde el aire se comprime mediante varios conjuntos de tornillos, pueden alcanzar presiones de más de 150 psi (10 atm) y un volumen de salida de más de 2000 pies cúbicos por minuto (57 m 3 /min).
Los compresores sin aceite se utilizan en aplicaciones en las que no es aceptable el arrastre de aceite, como en la investigación médica y la fabricación de semiconductores. Sin embargo, esto no excluye la necesidad de filtración, ya que los hidrocarburos y otros contaminantes ingeridos del aire ambiente también deben eliminarse antes del punto de uso. En consecuencia, con frecuencia se requiere un tratamiento del aire idéntico al que se utiliza para un compresor de tornillo inundado con aceite para garantizar la calidad del aire comprimido.
En los compresores de pistón pequeños, los carpinteros propietarios a veces utilizan compresores "sin aceite", en los que "sin aceite" es una referencia a no utilizar aceite sino recubrimientos de tipo teflón adheridos permanentemente a las superficies de desgaste.
En un compresor de tornillo rotativo con inyección de aceite, se inyecta aceite en las cavidades de compresión para ayudar al sellado y proporcionar refrigeración para la carga de gas. El aceite se separa de la corriente de descarga, se enfría, se filtra y se recicla. El aceite captura partículas no polares del aire entrante, lo que reduce de manera efectiva la carga de partículas de la filtración de partículas del aire comprimido. Es habitual que algo de aceite del compresor arrastrado se traslade a la corriente de gas comprimido aguas abajo del compresor. En muchas aplicaciones, esto se rectifica mediante recipientes de filtro/ coalescedor . [7] Los secadores de aire comprimido refrigerados con filtros coalescentes fríos internos están clasificados para eliminar más aceite y agua que los filtros coalescentes que se encuentran aguas abajo de los secadores de aire, porque después de que el aire se enfría y se elimina la humedad, el aire frío se utiliza para preenfriar el aire caliente que ingresa, lo que calienta el aire que sale. En otras aplicaciones, esto se soluciona mediante el uso de tanques receptores que reducen la velocidad local del aire comprimido, lo que permite que el aceite se condense, se caiga de la corriente de aire y se elimine del sistema de aire comprimido mediante un equipo de gestión de condensado.
Los compresores de tornillo inundados de aceite se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, incluidas la compresión de aire, la refrigeración de gas , el procesamiento de hidrocarburos y el uso de energía de fuentes de calor de baja calidad. [8] Los tamaños varían desde pequeños compresores de aire de taller hasta compresores industriales pesados de 8400 kW (11 300 hp) con presiones de salida de hasta 60 bar (870 psi). [9] Los nuevos compresores de aire de tornillo inundados de aceite liberan <5 mg/m3 de arrastre de aceite. [10]
El aceite PAG es polialquilenglicol, también llamado poliglicol . El aceite PAG se quema limpiamente, sin dejar residuos, y se ha utilizado como aceite portador para lubricantes sólidos para la lubricación de cadenas a alta temperatura. [11] Algunas versiones son de grado alimenticio y biodegradables. Los lubricantes PAG son utilizados por los dos mayores fabricantes de equipos originales de compresores de aire de EE. UU. en compresores de aire de tornillo rotativo. [12] Los compresores con inyección de aceite PAG no se utilizan para pintar en aerosol, porque el aceite PAG disuelve las pinturas. Las pinturas de resina epoxi de dos componentes de endurecimiento por reacción son resistentes al aceite PAG.
Los poliglicoles no son compatibles con las grasas a base de aceite mineral. Una mezcla de poliglicoles con aceites minerales da como resultado una masa gelatinosa y pegajosa. [13] La grasa de silicona tolera los poliglicoles. Un fabricante de controles neumáticos coloca grasa de silicona en los sellos y juntas. [14] [15]
Se recomiendan los compresores lubricados con aceite mineral (pero no con aceite de polialquilenglicol) para sellos revestidos con grasas de aceite mineral, como válvulas neumáticas de 4 vías de alta velocidad y cilindros de aire que funcionan sin lubricadores de aceite mineral. Un fabricante ha calificado sus válvulas neumáticas de 4 vías de alta velocidad con una vida útil de 50 millones de ciclos, si no se exponen a aceites de poliglicol. [16] [17]
El aceite de polialfaolefina PAO es compatible con grasas de aceite mineral. [18]
El compresor de tornillo cónico, desarrollado relativamente recientemente, es en realidad una extensión espiral cónica de un gerotor . No tiene la ruta de fuga inherente de "orificio de soplado" que, en los compresores de tornillo bien diseñados, es responsable de fugas significativas a través del conjunto. Esto permite que los rotores mucho más pequeños tengan una eficiencia práctica ya que en tamaños más pequeños el área de fuga no se convierte en una porción tan grande del área de bombeo como en los compresores de tornillo rectos. Junto con el diámetro decreciente del rotor en forma de cono, esto también permite relaciones de compresión mucho más altas en una sola etapa con pulsaciones de salida más bajas. [19]
Entre los compresores de tornillo rotativo, existen múltiples esquemas de control, cada uno con diferentes ventajas y desventajas.
En un esquema de control de arranque/parada, los controles del compresor activan relés para aplicar y quitar energía al motor según las necesidades de aire comprimido. En la mayoría de los casos de uso, se requiere un almacenamiento significativo si la carga es intermitente o no se adapta bien al compresor; el almacenamiento requerido a menudo será mayor que el compresor en sí.
En un esquema de control de carga/descarga, el compresor permanece encendido continuamente. Sin embargo, cuando se satisface o reduce la demanda de aire comprimido, en lugar de desconectar la energía del compresor, se activa un dispositivo conocido como válvula de corredera. Este dispositivo descubre parte del rotor y reduce proporcionalmente la capacidad de la máquina hasta un 25% de la capacidad del compresor, descargando así el compresor. Esto reduce el número de ciclos de arranque/parada de los motores eléctricos en comparación con un esquema de control de arranque/parada en compresores accionados eléctricamente, lo que mejora la vida útil del equipo con un cambio mínimo en el costo operativo. Cuando un esquema de control de carga/descarga se combina con un temporizador para detener el compresor después de un período predeterminado de funcionamiento continuo sin carga, se conoce como esquema de control dual o esquema de control dual automático. Este esquema de control aún requiere almacenamiento, ya que solo hay dos tasas de producción disponibles para igualar el consumo, aunque significativamente menores que un esquema de arranque/parada.
En lugar de poner en marcha y parar el compresor, una válvula de corredera como la descrita anteriormente modula continuamente la capacidad según la demanda en lugar de controlarse por pasos. Si bien esto produce una presión de descarga constante en un amplio rango de demanda, el consumo total de energía puede ser mayor que con un esquema de carga/descarga, lo que da como resultado aproximadamente el 70 % del consumo de energía a plena carga cuando el compresor está en una condición de carga cero.
Debido al limitado ajuste del consumo de energía del compresor en relación con la capacidad de salida de aire comprimido, la modulación es un método de control generalmente ineficiente en comparación con los variadores de velocidad. Sin embargo, para aplicaciones en las que no es posible detener y reanudar con frecuencia el funcionamiento del compresor (como cuando un compresor es accionado por un motor de combustión interna y funciona sin la presencia de un receptor de aire comprimido), la modulación es adecuada. La tasa de producción continuamente variable también elimina la necesidad de un almacenamiento significativo si la carga nunca excede la capacidad del compresor.
Utilizado por las empresas de compresores Quincy Compressor, Kobelco , Gardner Denver , Kaishan USA y Sullair , el desplazamiento variable altera el porcentaje de los rotores del compresor de tornillo que trabajan para comprimir el aire al permitir que el flujo de aire pase por alto partes de los tornillos. Si bien esto reduce el consumo de energía en comparación con un esquema de control de modulación, un sistema de carga/descarga puede ser más efectivo con grandes cantidades de almacenamiento (10 galones por CFM). Si una gran cantidad de almacenamiento no es práctica, un sistema de desplazamiento variable puede ser muy efectivo, especialmente a más del 70% de la carga completa. [20]
Una forma de lograr un desplazamiento variable es mediante el uso de múltiples válvulas de elevación en el lado de succión del compresor, cada una conectada a una ubicación correspondiente en la descarga. En los sobrealimentadores de automóviles, esto es análogo al funcionamiento de una válvula de derivación.
Si bien un compresor de aire accionado por un variador de velocidad puede ofrecer el menor costo de energía de operación sin ninguna reducción apreciable en la vida útil en comparación con un compresor de carga/descarga con un mantenimiento adecuado, el inversor de potencia de frecuencia variable de un variador de velocidad generalmente agrega un costo significativo al diseño de dicho compresor, lo que reduce sus beneficios económicos en comparación con un compresor de carga/descarga de tamaño adecuado si la demanda de aire es constante. Sin embargo, un variador de velocidad proporciona una relación casi lineal entre el consumo de energía del compresor y el suministro de aire libre, lo que permite el funcionamiento más eficiente en un rango muy amplio de demanda de aire. El compresor aún tendrá que ingresar al modo de arranque/parada para una demanda muy baja, ya que la eficiencia aún cae rápidamente a tasas de producción bajas debido a fugas del rotor. En entornos hostiles (calurosos, húmedos o polvorientos), es posible que sea necesario proteger la electrónica de los variadores de velocidad para mantener la vida útil esperada. [21]
El compresor de doble tornillo es un dispositivo de desplazamiento positivo que funciona empujando el aire a través de un par de tornillos de tolerancia estrecha que se engranan de forma similar a un conjunto de engranajes helicoidales. Los compresores de doble tornillo también se conocen como compresores Lysholm (o compresores ) en honor a su inventor, Alf Lysholm . [22] Cada rotor es radialmente simétrico, pero lateralmente asimétrico. En comparación, los sopladores de tipo "Roots" convencionales tienen rotores idénticos (con rotores rectos) o rotores de imagen especular (con rotores helicoidales). El rotor macho fabricado por Whipple tiene tres lóbulos, el hembra cinco lóbulos. El rotor macho Kenne-Bell tiene cuatro lóbulos, el hembra seis lóbulos. Los hembras en algunos diseños anteriores tenían cuatro. En comparación, los sopladores Roots siempre tienen el mismo número de lóbulos en ambos rotores, normalmente 2, 3 o 4.
El compresor de tornillo rotativo tiene niveles bajos de fugas y pérdidas parásitas en comparación con el tipo Roots. El sobrealimentador normalmente se acciona directamente desde el cigüeñal del motor a través de una correa o transmisión por engranajes. A diferencia del sobrealimentador de tipo Roots , el de doble tornillo presenta compresión interna, que es la capacidad del dispositivo de comprimir el aire dentro de la carcasa a medida que se mueve a través del dispositivo en lugar de depender de la resistencia al flujo aguas abajo de la descarga para establecer un aumento de presión. [23]
El requisito de técnicas de fabricación controladas por ordenador de alta precisión hace que el sobrealimentador de tipo tornillo sea una alternativa más cara que otras formas de inducción forzada disponibles. Con la tecnología más reciente, el coste de fabricación se ha reducido al tiempo que se ha mejorado el rendimiento.
Todos los tipos de sobrealimentadores se benefician del uso de un intercooler para reducir el calor producido durante el bombeo y la compresión.
Un claro ejemplo de la tecnología aplicada por el doble tornillo en empresas como Ford , Mazda , Mercedes y Mercury Marine también puede demostrar la eficacia del doble tornillo. Si bien algunos sobrealimentadores centrífugos son consistentes y confiables, por lo general no producen un impulso completo hasta cerca de las rpm máximas del motor, mientras que los sobrealimentadores de desplazamiento positivo, como los de tipo Roots y los de doble tornillo, ofrecen un impulso más inmediato. Además de esto, los sobrealimentadores de doble tornillo pueden mantener el impulso razonable a rpm más altas mejor que otros sobrealimentadores de desplazamiento positivo.
El término "soplador" se utiliza comúnmente para definir un dispositivo colocado en motores con una necesidad funcional de flujo de aire adicional, como un motor diésel de 2 tiempos , donde se necesita una presión de admisión positiva para "limpiar" o limpiar los gases de escape usados del cilindro y forzar una nueva carga de admisión en el cilindro antes de la carrera de compresión. El término "soplador" se aplica a compresores de tornillo rotativo, de tipo Roots y centrífugos cuando se utilizan como parte de un sistema de inducción forzada automotriz . El término "soplador de cabina" también se utiliza para la presurización de aeronaves para vuelos a gran altitud, que usaban compresores de tipo Roots particularmente en la década de 1950 (ver sobrealimentador Marshall ).
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