Un compresor de espiral (también llamado compresor de espiral , bomba de espiral y bomba de vacío de espiral ) es un dispositivo para comprimir aire o refrigerante. [1] Se utiliza en equipos de aire acondicionado , como sobrealimentador de automóviles (donde se lo conoce como sobrealimentador de tipo espiral ) y como bomba de vacío . Muchos sistemas residenciales de bomba de calor central y aire acondicionado y algunos sistemas de aire acondicionado de automóviles emplean un compresor de espiral en lugar de los compresores rotativos , alternativos y de placas oscilantes más tradicionales .
Un compresor scroll que funciona en sentido inverso es un expansor scroll y puede generar trabajo mecánico .
Léon Creux patentó por primera vez un compresor de espiral en 1905 en Francia y Estados Unidos. [2] Creux inventó el compresor como un concepto de motor de vapor rotatorio , 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 de espiral exige tolerancias muy estrictas para funcionar de manera efectiva. En la patente de 1905, Creux define un expansor de vapor reversible giratorio o co-orbitante impulsado por una manivela de radio fijo en un solo eje. [3] Sin embargo, el motor expansor de espiral no pudo superar los obstáculos de mecanizado de cumplimiento radial inherentes a la consecución de la eficiencia en el funcionamiento de los compresores de espiral que no se abordarían adecuadamente hasta los trabajos de Niels Young en 1975. [4] Los primeros compresores de espiral prácticos no aparecieron en el mercado hasta después de la Segunda Guerra Mundial , cuando las máquinas herramienta de mayor precisión permitieron su construcción. En 1981, Sanden comenzó a fabricar los primeros compresores de espiral disponibles comercialmente para acondicionadores de aire de automóviles. [1] [5] No se produjeron comercialmente para el aire acondicionado de habitaciones hasta 1983, cuando Hitachi lanzó el primer acondicionador de aire del mundo con un compresor de espiral hermético. [6] [7]
Un compresor de espiral utiliza dos espirales entrelazadas para bombear , comprimir o presurizar fluidos como líquidos y gases . La geometría de las paletas puede ser involuta , espiral de Arquímedes o curvas híbridas. [8] [9] [10] [11] [12]
A menudo, una de las volutas es fija, mientras que la otra orbita excéntricamente sin rotar, atrapando y bombeando o comprimiendo de esta manera bolsas de fluido entre las volutas. Un eje excéntrico puede proporcionar el movimiento orbital, pero se debe evitar que la voluta gire, generalmente con un acoplamiento de tipo Oldham , ejes locos excéntricos adicionales o una junta de fuelle (particularmente para aplicaciones de alta pureza). Otro método para producir el movimiento de compresión es hacer girar conjuntamente las volutas, en movimiento sincrónico, pero con centros de rotación desplazados. El movimiento relativo es el mismo que si estuvieran en órbita.
Las fugas por los huecos 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 empujar ambas espirales juntas, eliminando la necesidad de sellos de punta y mejorando el sellado con el uso; se dice que estos compresores se desgastan en lugar de desgastarse. [14] [15] [16] [17]
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 durante 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 descarga y succión de los compresores de espiral se producen durante una rotación completa, en comparación con menos de media rotación para el proceso de succión alternativo y menos de un cuarto de rotación para el proceso de descarga alternativo. Los compresores alternativos tienen múltiples cilindros (normalmente, entre dos y seis), mientras que los compresores de espiral 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 de espiral tienen niveles de pulsación más bajos que los compresores alternativos, como a menudo han afirmado algunos proveedores de compresores de espiral. El flujo más constante produce pulsaciones de gas más bajas, menos ruido y menos vibración de las tuberías conectadas, sin influir en la eficiencia operativa del compresor.
Los compresores de espiral 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 prominente en aplicaciones de alta relación de presión, típicas de la refrigeración. Por lo general, un compresor de espiral de aire acondicionado no tiene una válvula de descarga dinámica. El uso de una válvula de descarga dinámica mejora la eficiencia del compresor de espiral en una amplia gama de condiciones de funcionamiento, cuando la relación de presión de funcionamiento 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 funcionamiento, entonces el compresor de espiral puede ganar eficiencia alrededor de este punto si no hay una válvula de descarga dinámica presente (ya que hay pérdidas de flujo de descarga adicionales asociadas con la presencia de la válvula de descarga, así como los puertos de descarga tienden a ser más pequeños cuando la descarga está presente). [19] [20]
La eficiencia isentrópica de los compresores de espiral es ligeramente superior a la de un compresor alternativo típico cuando el compresor está diseñado para funcionar cerca de un punto de clasificación seleccionado. [21] Los compresores de espiral son más eficientes en este caso porque no tienen una válvula de descarga dinámica que introduzca pérdidas de estrangulamiento adicionales. Sin embargo, la eficiencia de un compresor de espiral que no tiene una válvula de descarga comienza a disminuir en comparación con el compresor alternativo en una operación de relación de presión más alta. Esto es el resultado de las pérdidas por subcompresión que se producen en la operación de relación de presión alta de los compresores de desplazamiento positivo que no tienen una válvula de descarga dinámica.
El proceso de compresión de espiral tiene una eficiencia volumétrica de casi el 100 % en el bombeo del fluido atrapado. El proceso de succión crea su propio volumen, separado de los procesos de compresión y descarga que se llevan a cabo más adentro. En comparación, los compresores alternativos dejan una pequeña cantidad de gas comprimido en el cilindro, porque no es práctico que el pistón toque el cabezal o la placa de válvulas. Ese gas remanente del último ciclo ocupa entonces el espacio destinado al gas de succión. La reducción de la capacidad (es decir, la eficiencia volumétrica) depende de las presiones de succión y descarga; las reducciones mayores se producen a proporciones más altas de presiones de descarga a succión.
Los compresores de espiral 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 de espiral tienen menos partes móviles que los compresores alternativos, lo que, en teoría, debería mejorar la confiabilidad. Según Emerson Climate Technologies, fabricante de los compresores de espiral Copeland, los compresores de espiral tienen un 70 por ciento menos de partes móviles que los compresores alternativos convencionales. [23]
Al menos un fabricante descubrió a través de pruebas que el diseño del compresor scroll ofrecía una mayor confiabilidad y eficiencia en el funcionamiento que los compresores alternativos. [24]
El expansor de espiral es un dispositivo que produce trabajo y que se utiliza principalmente en aplicaciones de recuperación de calor a baja presión. Es esencialmente un compresor de espiral que funciona en sentido inverso; el fluido de trabajo o gas de alta entalpía ingresa al lado de descarga del compresor y hace girar la espiral excéntrica antes de descargarse por la entrada del compresor. La modificación básica necesaria para convertir el compresor de espiral en un expansor de espiral es quitar la válvula antirretorno de la descarga del compresor. [25]
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