Un compresor scroll (también llamado compresor espiral , bomba scroll y bomba de vacío scroll ) es un dispositivo para comprimir aire o refrigerante. [1] Se utiliza en equipos de aire acondicionado , como sobrealimentador de automóviles (donde se le conoce como sobrealimentador tipo scroll ) y como bomba de vacío . Muchos sistemas de aire acondicionado y bombas de calor centrales residenciales y algunos sistemas de aire acondicionado para automóviles emplean un compresor scroll en lugar de los compresores rotativos , alternativos y de placa oscilante más tradicionales.
Un compresor scroll que funciona a la inversa es un expansor scroll y puede generar trabajo mecánico .
Léon Creux patentó por primera vez un compresor scroll en 1905 en Francia y Estados Unidos. [2] Creux inventó el compresor como un concepto de máquina de vapor rotativa , pero la tecnología de fundición de metales de la época no estaba lo suficientemente avanzada como para construir un prototipo funcional, ya que un compresor scroll exige tolerancias muy estrictas para funcionar de manera efectiva. En la patente de 1905, Creux define un expansor de vapor reversible coorbitante o giratorio impulsado por una manivela de radio fijo en un solo eje. [3] Sin embargo, el motor expansor scroll no pudo superar los obstáculos de mecanizado de cumplimiento radial inherentes para lograr eficiencia en la operación scroll que no se abordaron adecuadamente hasta los trabajos de Niels Young en 1975. [4] Los primeros compresores scroll prácticos no Aparecen en el mercado hasta después de la Segunda Guerra Mundial , cuando máquinas herramienta de mayor precisión permitieron su construcción. En 1981, Sanden comenzó a fabricar los primeros compresores scroll disponibles comercialmente para acondicionadores de aire de automóviles. [5] [1] No se produjeron comercialmente para aire acondicionado de habitaciones hasta 1983, cuando Hitachi lanzó el primer aire acondicionado del mundo con un compresor scroll hermético. [6] [7]
Un compresor scroll utiliza dos espirales entrelazadas para bombear , comprimir o presurizar fluidos como líquidos y gases . La geometría de las paletas puede ser curvas involutas , espirales de Arquímedes o híbridas. [8] [9] [10] [11] [12]
A menudo, una de las espirales está fija, mientras que la otra orbita excéntricamente sin girar, atrapando y bombeando o comprimiendo bolsas de fluido entre las espirales. Un eje excéntrico puede proporcionar el movimiento orbital, pero se debe evitar que la espiral gire, generalmente con un acoplamiento tipo Oldham , ejes tensores excéntricos adicionales o una junta de fuelle (particularmente para aplicaciones de alta pureza). Otro método para producir el movimiento de compresión es co-rotar las espirales, en movimiento sincrónico, pero con centros de rotación desplazados. El movimiento relativo es el mismo que si uno estuviera en órbita.
Las fugas por espacios axiales se evitan mediante el uso de sellos de punta en forma de espiral, colocados en ranuras en las puntas de ambas espirales. [13] Estos sellos de punta también ayudan a reducir la fricción y se pueden reemplazar cuando se desgastan. Algunos compresores utilizan el gas de descarga presurizado para juntar ambas espirales, lo que elimina la necesidad de sellos en las puntas y mejora el sellado con el uso; Se dice que estos compresores se desgastan en lugar de desgastarse, [14] [15] [16] [17] pero otras piezas, como el anillo Oldham, aún pueden desgastarse.
Otra variación es con tubos flexibles (planos) donde la espiral de Arquímedes actúa como una bomba peristáltica , que funciona según el mismo principio que un tubo de pasta de dientes. Tienen carcasas llenas de lubricante para evitar la abrasión del exterior del tubo de la bomba y ayudar en la disipación del calor, y utilizan tubos reforzados, a menudo llamados "mangueras". Esta clase de bomba a menudo se denomina "bomba de manguera". [ cita necesaria ]
Estos dispositivos son conocidos por funcionar de manera más suave, silenciosa y confiable que los compresores convencionales en algunas aplicaciones. [18]
El proceso de compresión se produce en aproximadamente 2 a 2½ rotaciones del cigüeñal, en comparación con una rotación para los compresores rotativos y media rotación para los compresores alternativos. Los procesos de succión y descarga en espiral se producen durante una rotación completa, en comparación con menos de media rotación para el proceso de succión alternativa y menos de un cuarto de rotación para el proceso de descarga alternativa. Los compresores alternativos tienen varios cilindros (normalmente, entre dos y seis), mientras que los compresores scroll solo tienen un elemento de compresión. La presencia de múltiples cilindros en los compresores alternativos reduce las pulsaciones de succión y descarga. Por lo tanto, es difícil afirmar si los compresores scroll tienen niveles de pulsación más bajos que los compresores alternativos, como han afirmado a menudo algunos proveedores de compresores scroll. El flujo más constante produce menores pulsaciones de gas, menor sonido y menor vibración de las tuberías conectadas, sin influir en la eficiencia operativa del compresor.
Los compresores scroll nunca tienen una válvula de succión, pero dependiendo de la aplicación pueden tener o no una válvula de descarga. El uso de una válvula de descarga dinámica es más destacado en aplicaciones de alta relación de presión, típicas de la refrigeración. Normalmente, un scroll de aire acondicionado no tiene una válvula de descarga dinámica. El uso de una válvula de descarga dinámica mejora la eficiencia del compresor scroll en una amplia gama de condiciones operativas, cuando la relación de presión operativa está muy por encima de la relación de presión incorporada de los compresores. Si el compresor está diseñado para funcionar cerca de un único punto de operación, entonces el compresor scroll puede ganar eficiencia alrededor de este punto si no hay una válvula de descarga dinámica presente (ya que también hay pérdidas de flujo de descarga adicionales asociadas con la presencia de la válvula de descarga). ya que los puertos de descarga tienden a ser más pequeños cuando la descarga está presente). [19] [20]
La eficiencia isentrópica de los compresores scroll es ligeramente mayor que la de un compresor alternativo típico cuando el compresor está diseñado para funcionar cerca de un punto nominal seleccionado. [21] Los compresores scroll son más eficientes en este caso porque no tienen una válvula de descarga dinámica que introduzca pérdidas adicionales por estrangulamiento. Sin embargo, la eficiencia de un compresor scroll que no tiene una válvula de descarga comienza a disminuir en comparación con el compresor alternativo en una operación con una relación de presión más alta. Esto es el resultado de las pérdidas por subcompresión que se producen durante el funcionamiento con alta relación de presión de los compresores de desplazamiento positivo que no tienen una válvula de descarga dinámica.
El proceso de compresión scroll es casi 100% volumétricamente eficiente en el bombeo del fluido atrapado. El proceso de succión crea su propio volumen, separado de los procesos de compresión y descarga que se producen en el interior. En comparación, los compresores alternativos dejan una pequeña cantidad de gas comprimido en el cilindro, porque no es práctico que el pistón toque la cabeza o el plato de la válvula. Ese gas remanente del último ciclo ocupa entonces el espacio destinado al gas de aspiración. La reducción de la capacidad (es decir, la eficiencia volumétrica) depende de las presiones de succión y descarga, ocurriendo mayores reducciones a relaciones más altas de presiones de descarga a succión.
Los compresores scroll tienden a ser muy compactos y de funcionamiento suave, por lo que no requieren suspensión por resorte. Esto les permite tener carcasas muy pequeñas, lo que reduce el costo general pero también da como resultado un volumen libre más pequeño. [22]
Los compresores scroll tienen menos piezas móviles que los compresores alternativos lo que, en teoría, debería mejorar la confiabilidad. Según Emerson Climate Technologies, fabricante de compresores scroll Copeland, los compresores scroll tienen un 70 por ciento menos de piezas móviles que los compresores alternativos convencionales. [23]
Al menos un fabricante descubrió mediante pruebas que el diseño del compresor scroll ofrecía mayor confiabilidad y eficiencia en el funcionamiento que los compresores alternativos. [24]
El expansor de espiral es un dispositivo que produce trabajo y se utiliza principalmente en aplicaciones de recuperación de calor a baja presión. Es esencialmente un compresor scroll que funciona a la inversa; El fluido o gas de trabajo de alta entalpía ingresa al lado de descarga del compresor y hace girar la espiral excéntrica antes de descargarse desde la entrada del compresor. La modificación básica requerida para convertir el compresor scroll en un expansor scroll es quitar la válvula de retención de la descarga del compresor. [25]
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