Compresor scroll


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 automóvil (donde se lo conoce como sobrealimentador de tipo scroll ) y como bomba de vacío . Muchos sistemas de aire acondicionado y bombas de calor centrales residenciales y algunos sistemas de aire acondicionado automotrices emplean un compresor de espiral en lugar de los más tradicionales compresores rotativos , alternativos y de placa oscilante.

Mecanismo de una bomba scroll; aquí dos espirales de Arquímedes
Funcionamiento de un compresor scroll

Un compresor scroll que funciona en reversa es un expansor scroll y puede generar trabajo mecánico .

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Animación del compresor de desplazamiento giratorio

Léon Creux patentó por primera vez un compresor scroll en 1905 en Francia y Estados Unidos (número de patente 801182). [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 scroll exige tolerancias muy estrictas para funcionar con eficacia. En la patente de 1905, Creux define un expansor de vapor reversible co-orbital o giratorio 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 la conformidad radial inherentes para lograr la eficiencia en la operación de espiral que no se abordarían adecuadamente hasta los trabajos de Niels Young en 1975. [4] Los primeros compresores de espiral prácticos no lo lograron. 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 scroll disponibles comercialmente para acondicionadores de aire de automóviles. [5] [1] No se produjeron comercialmente para el 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 scroll intercalados 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, uno de los rollos está fijo, mientras que el otro orbita excéntricamente sin girar, atrapando y bombeando o comprimiendo bolsas de fluido entre los rollos. 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 la co-rotación de las volutas, en movimiento sincrónico, pero con centros de rotación desplazados. El movimiento relativo es el mismo que si estuviera en órbita.

Las fugas de los 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 la punta también ayudan a reducir la fricción y se pueden reemplazar cuando están desgastados. Algunos compresores usan el gas de descarga presurizado para juntar ambos rollos, 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] pero otras partes como el anillo Oldham aún pueden desgastarse.

Otra variación es con los tubos flexibles (planos) donde la espiral de Arquímedes actúa como una bomba peristáltica , que funciona con 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 para ayudar a disipar el calor, y utilizan tubos reforzados, a menudo llamados 'mangueras'. Esta clase de bomba a menudo se denomina "bomba de manguera". Dado que no hay partes móviles en contacto con el fluido, las bombas peristálticas son económicas de fabricar. Su falta de válvulas, sellos y prensaestopas las hace comparativamente económicas de mantener, y la manguera o tubo es un elemento de mantenimiento de bajo costo en comparación con otros tipos de bombas. [ cita requerida ]

  • Compresor de aire acondicionado
  • Bomba aspiradora
  • Sobrealimentadores para aplicaciones de automóviles, por ejemplo , el G-Lader de Volkswagen

Compresor scroll con tanque de aire

Estos dispositivos son conocidos por operar de manera más suave, silenciosa y confiable que los compresores convencionales en algunas aplicaciones. [18] A diferencia de los pistones, la masa de la voluta en órbita puede equilibrarse perfectamente, con masas simples, para minimizar la vibración. (Un rollo en órbita no puede equilibrarse completamente si se utiliza un acoplamiento Oldham , también conocido como anillo de Oldham). Los procesos de gas del rollo son más continuos. Además, la falta de espacio muerto aumenta la eficiencia volumétrica .

Rotaciones y flujo de pulsos

compresor scroll de tipo abierto

El proceso de compresión ocurre 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 descarga y succión en espiral ocurren para una rotación completa, en comparación con menos de media rotación para el proceso de succión recíproca y menos de un cuarto de rotación para el proceso de descarga recíproca. Los compresores alternativos tienen varios cilindros (normalmente, de dos a seis), mientras que los compresores scroll solo tienen un elemento de compresión. La presencia de múltiples cilindros en compresores alternativos reduce las pulsaciones de succión y descarga. Por lo tanto, es difícil establecer 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 estable produce pulsaciones de gas más bajas, sonido más bajo y vibración más baja de la tubería adjunta, sin tener influencia en la eficiencia operativa del compresor.

Valvulas

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 prominente 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 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 operar cerca de un solo 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]

Eficiencia

La eficiencia isentrópica de los compresores scroll 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 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 de relación de presión más alta. Esto es el resultado de las pérdidas por subcompresión que se producen en el funcionamiento con una relación de presión alta de los compresores de desplazamiento positivo que no tienen una válvula de descarga dinámica.

El proceso de compresión de espiral 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 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 la cabeza o la placa de la válvula. Ese gas remanente del último ciclo ocupa el espacio destinado al gas de succión. La reducción en la capacidad (es decir, la eficiencia volumétrica) depende de las presiones de succión y descarga, ocurriendo mayores reducciones a relaciones más altas de descarga a presiones de succión.

Los compresores scroll tienen menos partes móviles que los compresores alternativos que, en teoría, deberían mejorar la confiabilidad. Según Emerson Climate Technologies, fabricante de compresores scroll de Copeland, los compresores scroll tienen un 70 por ciento menos de piezas móviles que los compresores alternativos convencionales. [22]

En 2006, un importante fabricante de equipos para el servicio de alimentos, Stoelting , decidió cambiar el diseño de una de sus máquinas de helado de helados blandos de reciprocante a compresor scroll. A través de las pruebas, descubrieron que el diseño del compresor scroll ofrecía una mayor confiabilidad y eficiencia energética en funcionamiento. [23]

Tamaño

Los compresores scroll tienden a ser muy compactos y de funcionamiento suave, por lo que no requieren suspensión por resorte. Esto les permite tener recintos de carcasa muy pequeños, lo que reduce el costo general pero también da como resultado un volumen libre más pequeño. [24] Esta es una debilidad en términos de manejo de líquidos. Su fuerza correspondiente está en la falta de válvulas de succión que mueve el punto más probable de falla al sistema de transmisión, que puede hacerse algo más fuerte. Por lo tanto, el mecanismo de espiral es en sí mismo más tolerante a la ingestión de líquidos, pero al mismo tiempo es más propenso a experimentarlo en funcionamiento. El tamaño pequeño y el funcionamiento silencioso de un compresor scroll permiten que la unidad se integre en computadoras de alta densidad de potencia, como los mainframes de IBM. Los compresores scroll también simplifican el diseño de la tubería, ya que no requieren una conexión externa para el refrigerante primario.


El expansor de espiral es un dispositivo de producción de trabajo que 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 entra por el lado de descarga del compresor y hace girar la espiral excéntrica antes de descargarse de la entrada del compresor. La modificación básica necesaria para convertir el compresor scroll en un expansor scroll es quitar la válvula de retención de la descarga del compresor. [25]

  • Batería de aire comprimido
  • Compresor de gas
  • Bomba
  • Bomba aspiradora

  1. ^ a b McCullough, John E. "Competencia japonesa y estadounidense en el desarrollo de compresores scroll y su impacto en la industria estadounidense del aire acondicionado" . Oficina de Información Científica y Técnica del Departamento de Energía de EE. UU . (OSTI) . Departamento de Energía de Estados Unidos . Consultado el 26 de abril de 2019 .
  2. ^ US 801182 , Creux, Léon , "Motor rotativo" 
  3. ^ Bush, James W .; Beagle, Wayne P. (1994). "Diseño de desplazamiento co-orbital y características operativas" . Publicaciones electrónicas de Purdue . Consultado el 3 de junio de 2019 .
  4. ^ US 3874827 , Young, Niels O., "Aparato de desplazamiento de desplazamiento positivo con miembro de desplazamiento axial radialmente compatible" 
  5. ^ "Historia" . Sanden Corporation . Sanden International (Europe) Ltd . Consultado el 9 de mayo de 2019 .
  6. ^ "Historia (1981-2000): Hitachi Global" . www.hitachi.com .
  7. ^ Gerken, David T .; Calhoun, John L. (marzo de 2000). "Revisión de diseño de componentes de compresores scroll de aluminio fundido" . Congreso Mundial SAE 2000 . SAE Internacional . Consultado el 21 de febrero de 2007 .
  8. ^ US 4216661 , Nobukatsu, Arai; Kousokabe Hirokatu & Sato Eiji et al., "Compresor scroll con medios para el sesgo de la placa terminal y retorno de gas refrigerado a espacios sellados del compresor" 
  9. ^ US 4522575 , Tischer, J. & R Utter, "Máquina de desplazamiento con presión de descarga para sellado axial" 
  10. ^ US 4767293 , Caillat, J .; R. Weatherston & J Bush, "Máquina de desplazamiento con montaje axialmente compatible" 
  11. ^ US 4875838 , Richardson, Jr., Hubert, "Compresor de desplazamiento con miembro de desplazamiento en órbita sesgado por la presión del aceite" 
  12. ^ US 4834633 , Etemad, S .; D. Yannascoli y M. Hatzikazakis, "Máquina de desplazamiento con envoltorios de diferentes grosores" 
  13. ^ Mitsuhiro Fukuta; Daisuke Ogi; Masaaki Motozawa; Tadashi Yanagisawa; Shigeki Iwanami; Tadashi Hotta (14 a 17 de julio de 2014). Mecanismo de sellado del sello de la punta en el compresor scroll . 22ª Conferencia Internacional de Ingeniería de Compresores en Purdue. pag. 1255.
  14. ^ "Nuevo Compresor Scroll | Aire Acondicionado y Refrigeración | Daikin Global" . www.daikin.com .
  15. ^ https://www.testequity.com/how-a-scroll-compressor-works
  16. ^ https://climate.emerson.com/documents/copeland-scroll-digital-simple-refrigeration-solution-for-capacity-modulation-en-gb-4204140.pdf
  17. ^ https://climate.emerson.com/documents/zfkq-product-catalogue-ja-jp-4231574.pdf
  18. ^ "Compresor HVAC" . Desarrollado por The People Resources Company. Julio de 2010 . Consultado el 21 de julio de 2010 .
  19. ^ Jim Wheeler (noviembre de 1988). "Compresores de desplazamiento: la historia interior". Contratación de negocios . Penton Media: 36.
  20. ^ Bush, James W .; Elson, John P. (julio de 1988). "Criterios de diseño de compresores scroll para aplicaciones residenciales de aire acondicionado y bombas de calor". Actas de la Conferencia Internacional de Ingeniería de Compresores de 1988 . 1 : 83–92.
  21. ^ Elson, John P .; Kaemmer, Norbert; Wang, Simon; Perevozchikov, Michael (14 a 17 de julio de 2008). Tecnología de desplazamiento: una descripción general de los desarrollos pasados, presentes y futuros . Congreso Internacional de Ingeniería de Compresores . Consultado el 9 de mayo de 2019 .
  22. ^ "Compresores scroll: ventajas de diseño" . Tecnologías climáticas de Emerson . Consultado el 11 de enero de 2013 .
  23. ^ Russell, Jill (febrero de 2006). "Equipo de servicio de alimentos comercial, un frescor continuo" . Revista de electrodomésticos . Consultado el 10 de enero de 2007 .
  24. ^ Mraz, Stephen. "Búsqueda de ideas: Air Squared desarrolló el compresor scroll de servicio continuo más pequeño del mundo" . Diseño de máquinas . Penton Media, Inc . Consultado el 25 de mayo de 2019 .
  25. ^ Emhardt, Simon; Tian, ​​Guohong; Chew, John (agosto de 2018). "Una revisión de las geometrías de expansores de desplazamiento y su rendimiento" (PDF) . Ingeniería Térmica Aplicada . 141 : 1020–1034. doi : 10.1016 / j.applthermaleng.2018.06.045 . ISSN  1359-4311 .

  • Compresores Copeland 111 , video que muestra cómo funciona el compresor scroll