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 contenido dentro de las bolsas. Así, el tornillo de un compresor de tornillo es asimétrico en toda su longitud, mientras que una bomba de tornillo es simétrica en toda su longitud.
El proceso de compresión de gas de un tornillo giratorio 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 eficiencia.
Los compresores de tornillo rotativo utilizan dos rotores en espiral que engranan muy estrechamente para comprimir el gas. En un compresor de tornillo rotativo de funcionamiento 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 inundado de aceite, el aceite lubricante une el espacio entre los rotores, proporcionando un sello hidráulico y transfiriendo energía mecánica entre los rotores, permitiendo que un rotor sea completamente impulsado por el otro.
El gas entra por el lado de succión y se mueve a través de las roscas a medida que giran los tornillos. 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 los rotores hasta el puerto de escape. Este cambio de volumen es la compresión.
La carga de entrada se aspira al final de los rotores, en el gran espacio entre los lóbulos macho y hembra. En el extremo de entrada, el lóbulo macho es mucho más pequeño que su contraparte femenina, pero los tamaños relativos invierten las proporciones a lo largo de ambos rotores (el macho se vuelve más grande y la hembra más pequeña) hasta que (tangencial al puerto de descarga) el espacio libre entre cada uno El par de lóbulos es mucho más pequeño. Esta reducción de volumen provoca la compresión de la carga antes de ser presentada al colector de salida. [1]
La eficacia de este mecanismo depende de que se ajusten con precisión las holguras entre los rotores en espiral y entre los rotores y la cámara para sellar las cavidades de compresión. Sin embargo, algunas fugas son inevitables y se deben utilizar altas velocidades de rotación 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 engranan con las cavidades cóncavas del rotor hembra. Normalmente el rotor macho tiene menos lóbulos que el rotor hembra, por lo 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 del rotor son objeto de patentes. [2]
Las capacidades de los compresores de tornillo rotativo generalmente se expresan en caballos de fuerza (HP), pies cúbicos estándar por minuto ( SCFM )* y libras por pulgada cuadrada (PSIG). Para unidades en el rango de 5 a 30 HP, el tamaño físico de estas unidades son comparables a un compresor típico de dos etapas. A medida que aumenta la potencia , se produce una importante economía de escala a favor de los compresores de tornillo rotativo. Por ejemplo, un compresor compuesto de 250 HP es un equipo grande que generalmente requiere una base especial, alojamiento en el edificio y personal altamente capacitado para colocar el equipo. Por otro lado, un compresor de tornillo rotativo de 250 HP se puede colocar en un taller normal utilizando una carretilla elevadora estándar . En 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 sola etapa está limitada a 250 PSIG, un compresor de tornillo de dos etapas puede entregar presiones de hasta 600 PSIG.
Los compresores de tornillo rotativo tienden a funcionar suavemente con vibración limitada, por lo que no requieren una base o sistema de montaje especializado. Normalmente, los compresores de tornillo rotativo se montan utilizando soportes de aislamiento de caucho estándar diseñados para absorber 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 están clasificados en pies cúbicos reales por minuto ( ACFM ). Otros más están clasificados en pies cúbicos por minuto (CFM). Usar CFM [3] para calificar 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 moderno compresor de tornillo de lóbulos helicoidales fue desarrollado en Suecia por Alf Lysholm , ingeniero jefe de Ljungstroms Angturbin . Lysholm desarrolló el compresor de tornillo mientras buscaba una forma de superar el aumento repentino del compresor en las turbinas de gas . Lysholm consideró primero un soplador de raíces , pero descubrió que no podía generar una relación de presión suficientemente alta. En 1935, Ljungstroms patentó un compresor de tornillo de lóbulos helicoidales que luego obtuvo amplias licencias para otros fabricantes. Ljungstroms Angturbin AB pasó a llamarse Svenska Rotor Maskiner (SRM) en 1951. [4] [6]
En 1952, la empresa de ingeniería escocesa Howden utilizó la primera máquina cortadora Holroyd para producir rotores de compresores de lóbulos helicoidales, lo que redujo en gran medida 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. Las inundaciones proporcionaron tanto enfriamiento, lo que permitió relaciones de presión más altas, como la eliminación de engranajes de sincronización. El primer compresor de aire de tornillo inundado disponible comercialmente fue introducido en 1957 por Atlas Copco . [4] [5]
SRM desarrolló válvulas de ranura 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 Sullair los introdujo comercialmente 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 más grandes. 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 suelen montarse en remolques y funcionan con pequeños motores diésel. Estos sistemas de compresión portátiles suelen denominarse 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 los ve comúnmente en sitios de construcción y trabajando con equipos de reparación de carreteras en todo el mundo.
Los compresores de aire de tornillo también se usan comúnmente en equipos de perforación rotativos, DTH y RC utilizados en aplicaciones de perforación de exploración y producción minera y en servicios de oleoductos y gasoductos, como pruebas neumáticas o pigging de aire.
En un compresor sin aceite, el aire se comprime íntegramente mediante la acción de los tornillos, sin la ayuda de un retén de aceite. Como resultado, generalmente tienen una capacidad de presión de descarga máxima más baja. Sin embargo, los compresores multietapa sin aceite, en los que el aire se comprime mediante varios juegos 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 donde el arrastre de aceite no es aceptable, como 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, a menudo se requiere un tratamiento del aire idéntico al utilizado para un compresor de tornillo bañado en aceite para garantizar la calidad del aire comprimido.
En los compresores de pistón pequeños, los carpinteros a veces usan compresores "sin aceite" en los que sin aceite es una referencia a no usar 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 a sellar y proporcionar enfriamiento a 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, reduciendo efectivamente la carga de partículas de la filtración de partículas de aire comprimido. Es habitual que parte del aceite del compresor arrastrado llegue a la corriente de gas comprimido aguas abajo del compresor. En muchas aplicaciones, esto se rectifica mediante recipientes coalescentes /filtradores. [7] Los secadores de aire comprimido refrigerados con filtros coalescentes en frío 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 pre- enfría el aire caliente que entra, lo que calienta el aire que sale. En otras aplicaciones, esto se rectifica mediante el uso de tanques receptores que reducen la velocidad local del aire comprimido, permitiendo que el aceite se condense, salga de la corriente de aire y sea eliminado del sistema de aire comprimido mediante equipos de gestión de condensado.
Los compresores de tornillo inundados de aceite se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones que incluyen compresión de aire, refrigeración de gas , procesamiento de hidrocarburos y utilización de energía a partir de fuentes de calor de baja calidad. [8] Los tamaños varían desde compresores de aire para talleres pequeños hasta compresores industriales pesados de 8.400 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 aceite residual. [10]
El aceite PAG es polialquilenglicol, que también se llama poliglicol . El aceite PAG se quema limpiamente, no deja residuos y se ha utilizado como aceite portador de lubricantes sólidos para la lubricación de cadenas a alta temperatura. [11] Algunas versiones son de calidad alimentaria y biodegradables. Los dos fabricantes de equipos originales de compresores de aire más grandes de EE. UU. utilizan lubricantes PAG en compresores de aire de tornillo rotativo. [12] Los compresores con inyección de aceite PAG no se utilizan para rociar pintura, 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 pone grasa de silicona en los sellos y juntas. [14] [15]
Los compresores lubricados con aceite mineral (pero no con aceite de polialquilenglicol) se recomiendan para sellos recubiertos 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 clasificado 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 en espiral cónica de un gerotor . No tiene la ruta de fuga inherente de "agujero de soplado" que, en los compresores de tornillo bien diseñados, es responsable de fugas importantes a través del conjunto. Esto permite que 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 recto. 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 una pulsación de salida más baja. [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 accionan relés para aplicar y quitar energía al motor de acuerdo con 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 propio compresor.
En un esquema de control de carga/descarga, el compresor permanece continuamente encendido. Sin embargo, cuando se satisface o reduce la demanda de aire comprimido, en lugar de desconectar la energía al compresor, se activa un dispositivo conocido como válvula deslizante. Este dispositivo deja al descubierto parte del rotor y reduce proporcionalmente la capacidad de la máquina hasta normalmente el 25% de la capacidad del compresor, descargando así el compresor. Esto reduce la cantidad de ciclos de arranque/parada para motores eléctricos en comparación con un esquema de control de arranque/parada en compresores accionados eléctricamente, mejorando 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 auto-dual. Este esquema de control todavía requiere almacenamiento ya que sólo hay dos tasas de producción disponibles para igualar el consumo, aunque significativamente menos que un esquema de inicio/parada.
En lugar de arrancar y detener el compresor, una válvula deslizante como la descrita anteriormente modula continuamente la capacidad según la demanda en lugar de controlarse en pasos. Si bien esto produce una presión de descarga constante en un amplio rango de demanda, el consumo de energía general puede ser mayor que con un esquema de carga/descarga, lo que resulta en aproximadamente el 70% del consumo de energía a plena carga cuando el compresor está en condición de carga cero.
Debido al ajuste limitado en el 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 frecuentemente el funcionamiento del compresor (como cuando un compresor es accionado por un motor de combustión interna y operado 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 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 práctico, un sistema de desplazamiento variable puede ser muy efectivo, especialmente a más del 70% de la carga total. [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 operativa sin ninguna reducción apreciable en la vida útil en comparación con un compresor de carga/descarga con mantenimiento adecuado, el inversor de potencia de frecuencia variable de un variador de velocidad generalmente añade un valor significativo. costo al diseño de dicho compresor, reduciendo sus beneficios económicos sobre un compresor de carga/descarga del 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 entrar en modo de arranque/parada para una demanda muy baja, ya que la eficiencia aún cae rápidamente a tasas de producción bajas debido a fugas en el rotor. En entornos hostiles (calientes, húmedos o polvorientos), es posible que sea necesario proteger la electrónica de los variadores de velocidad para conservar la vida útil esperada. [21]
El sobrealimentador de doble tornillo es un dispositivo de desplazamiento positivo que funciona empujando aire a través de un par de tornillos engranados de estrecha tolerancia, similar a un conjunto de engranajes helicoidales. Los sobrealimentadores de doble tornillo también se conocen como sobrealimentadores (o compresores ) Lysholm en honor a su inventor, Alf Lysholm . [22] Cada rotor es radialmente simétrico, pero lateralmente asimétrico. En comparación, los sopladores convencionales del tipo "Roots" 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 y el hembra seis lóbulos. Las 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 bajos niveles de fuga y bajas pérdidas parásitas en comparación con el tipo Roots. El sobrealimentador normalmente es accionado directamente desde el cigüeñal del motor a través de una correa o transmisión por engranajes. A diferencia del sobrealimentador tipo Roots , el doble tornillo exhibe compresión interna, que es la capacidad del dispositivo para comprimir 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 computadora de alta precisión hace que el sobrealimentador de tornillo sea una alternativa más costosa que otras formas de inducción forzada disponibles. Con la tecnología posterior, los costos de fabricación se redujeron y el rendimiento aumentó.
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, generalmente no producen un impulso completo hasta cerca de las rpm máximas del motor, mientras que los sobrealimentadores de desplazamiento positivo, como los supercargadores 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 usa 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 gastados del cilindro y fuerce una nueva carga de admisión en el cilindro antes de la carrera de compresión. El término "soplador" se aplica a los compresores centrífugos, de tornillo rotativo y de tipo raíz cuando se utilizan como parte de un sistema de inducción forzada automotriz . El término "soplador de cabina" también se utiliza para la presurización de aviones para vuelos a gran altitud, que utilizaban compresores del tipo Roots particularmente en los años 1950 (ver sobrealimentador Marshall ).
{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)