Un mundo de variaciones: compresores digitales

La selección de estos dispositivos es un tema delicado, ya
que brindan la posibilidad de variar los rangos de operación, dependiendo de la
capacidad requerida por la aplicación

Alonso Amor / Gráficas
e imágenes: cortesía del autor

En la industria del aire acondicionado y la refrigeración
(RAC) existen diferentes aplicaciones para las que, dependiendo del producto
que deba ser conservado o de la condición en la cual se deba mantener la
climatización de un espacio, se requieren diferentes métodos de control de
capacidad en la etapa de compresión.

Controlar de manera adecuada la capacidad del compresor
tiene una relación directa con la estabilidad de la temperatura, lo que además
de contribuir a un uso más eficiente de la energía genera que los productos
almacenados no pierdan sus propiedades.

A pesar de que en todos los equipos puede ser instalado un
método de control de capacidad, hay que tener presente que no todas las
aplicaciones lo requieren para operar correctamente. Un ejemplo de aplicación
en donde típicamente es recomendable tener un buen control de la capacidad es
el preenfriado rápido de frutas o vegetales. Hay que recordar que estos
productos se encuentran vivos dentro de los ambientes refrigerados y que de no
mantenerse a la temperatura correcta podrían degradar sus propiedades
alimenticias. Asimismo, es importante que el diferencial existente entre la
temperatura del aire y la del producto no sea muy grande, ya que puede generar
mermas en agua del fruto en cuestión.

Fuente: postharvest.tfrec.wsu.edu/pages/N4I1A, Forced Air Cooling of Cherries
Fuente: postharvest.tfrec.wsu.edu/pages/N4I1A, Forced Air Cooling of Cherries

La gráfica 1 es un claro ejemplo de un proceso de
enfriamiento en el que debe ser controlada la capacidad; en este caso, se trata
de que las cerezas no pierdan sus propiedades, por lo que deben ser enfriadas a
15 °F en las primeras 15 horas del proceso y 15 °F más en las 55 horas
posteriores. Este objetivo sólo puede ser logrado controlando la capacidad del
compresor.

Los sistemas de control se dividen en dos grandes grupos:
finitos e infinitos. Los controles finitos son aquellos que basan sus etapas de
capacidad en “escalones fijos”; por ejemplo, si para un sistema de 10
toneladass (T) son instalados dos circuitos independientes de 5 T cada uno, en este
caso el sistema sólo podrá trabajar al 0, 50 o 100 por ciento teniendo etapas
fijas de capacidad.

Los sistemas infinitos, en cambio, son capaces de trabajar
en cualquier punto de control que sea necesario, pues sus etapas no están
limitadas a una variable fija. Un sistema infinito trabaja en cualquier
porcentaje de capacidad y esta flexibilidad se obtiene por algoritmos más
elaborados, los cuales ayudan a mantener siempre la temperatura del producto en
el punto deseado.

Los compresores digitales, sin duda alguna, son la manera
más práctica, segura y eficiente de aplicar un control infinito de capacidad.

Los compresores digitales basan su operación en una
interrupción intermitente de la compresión. Esto es posible de lograr de dos
diferentes maneras, dependiendo de la tecnología utilizada.

Tipos de control de capacidad

Compresores
scroll

El desacople del sello flotante del compresor scroll
digital se realiza mediante una liberación de presión de descarga de la parte
superior del compresor, la cual es dirigida a la succión.

Las espirales pueden separarse axial y radialmente

En este tipo de compresores, el control de capacidad se
logra mediante la separación milimétrica de las espirales, permitiendo así que
las presiones se ecualicen, interrumpiendo la compresión. Dicha separación es
posible debido a la libertad axial que sólo los compresores de la marca Copeland Scroll
son capaces de ofrecer. Los dispositivos de este tipo no sólo ofrecen una
libertad radial para comprimir, sino también una libertad axial que permite la
activación de un sello flotante (esto evita el desgaste de un sello mecánico
durante la compresión). Adicionalmente, ayuda a trabajar al compresor ante la
presencia de “pequeñas impurezas”, además de que ofrece la posibilidad de
controlar su capacidad por medio de tecnología digital.

Esta interrupción de la compresión sólo es posible de
llevarse a cabo en intervalos de 20 segundos; además de fomentar una
estabilidad del sistema, esto garantiza el correcto enfriamiento de los
compresores.

Un control de capacidad de compresores digitales al 50 por
ciento se logra, por ejemplo, permitiendo la compresión del gas 10 segundos y
luego evitándola otros 10 segundos, mientras que una capacidad al 37 por
ciento, se obtiene comprimiendo 7.4 segundos y luego dejando de comprimir 12.6
segundos.

Separación de las espirales de los compresores scroll y el bloque de succión de un compresor semihermético

Los compresores digitales scroll de media temperatura
pueden variar su capacidad desde un 10 hasta un 100 por ciento, y los
compresores de baja temperatura pueden hacerlo de un 30 hasta un 100 por ciento.
La diferencia radica en que el compresor de baja temperatura requiere estar más
tiempo con un flujo de refrigerante que lo ayude a enfriar el motor del calor
excesivo, generado como producto de la operación en baja temperatura.

Si bien un compresor digital puede trabajar de forma
independiente, siempre es más fácil lograr un control fino de la presión de
succión (temperatura del producto), si se trabaja en conjunto con un compresor
de etapa fija (compresor común).

Para que los compresores lleven a cabo su control de
capacidad es necesaria la activación de una válvula solenoide de altos ciclos,
la cual activará la intermitencia de la compresión. Esta solenoide está
controlada por una salida digital proveniente del controlador electrónico que,
dependiendo del porcentaje de capacidad requerido, establecerá los intervalos
de compresión.

Compresores
discus

Para lograr el control de capacidad, los compresores
semiherméticos basan su operación en el principio de succión bloqueada, es
decir, evitan el ingreso de gas refrigerante a una de las cabezas evitando así
la compresión de esta sección. Por ejemplo, si un compresor es de cuatro
pistones está compuesto por dos cabezas de dos pistones. Una de ellas
funcionará de manera digital, permitiendo y bloqueando el paso de gas
refrigerante; mientras que la otra siempre estará trabajando de manera regular,
el compresor podrá modular de un 50 hasta un 100 por ciento. Este principio también
es aplicable a compresores de seis pistones en los que se regula de un 33 a un
100 por ciento, o bien, en compresores de tres pistones de una sola cabeza en
los que se regula de un 10 a un 100 por ciento.

Como en los compresores scroll, el actuador que hace
posible el bloqueo del plato de válvulas es una solenoide de altos ciclos; ante
una señal del controlador electrónico, ésta indicará los ciclos en los que el
compresor debe estar comprimiendo o bloqueando la succión del plato de válvulas
correspondiente.

El factor esencial para lograr que un compresor digital sea
práctico y seguro es el hecho de que el motor siempre rote a la velocidad
nominal y, en consecuencia, obtener siempre una completa lubricación de sus
partes móviles. Otros métodos de control infinito basan su operación en la
variación de velocidad del motor, lo cual redunda en fallas de lubricación, ya
que al reducir la capacidad del compresor también disminuye su capacidad de
lubricación.

Para un óptimo desempeño, los compresores digitales deben
de ser seleccionados bajo la siguiente regla:

  • La capacidad del compresor digital debe ser
    mayor que la del compresor fijo que lo acompaña
  • Si se cuenta con compresores adicionales, la
    suma de la capacidad del compresor digital y del primer compresor fijo deberá
    ser mayor que la capacidad del segundo compresor fijo

Uso de
inversor de frecuencia en compresores de corriente alterna

Otro método de control de capacidad infinito es la
incorporación de un inversor de frecuencia (variador) al suministro eléctrico
del compresor. Este método es una manera eficiente de controlar un compresor;
sin embargo, tiene algunas limitantes como:

  • Al variar la velocidad del compresor también
    varía la velocidad de la flecha central, lo que genera que la lubricación se
    vea reducida cuando se controla la capacidad
  • Al ser el inversor de frecuencia un elemento de
    potencia, éste también consume una cantidad considerable de energía, la cual
    merma los ahorros; incluso, cuando se trabaja al 100 por ciento de la capacidad
    del compresor, la adición de este elemento ocasionará que consuma un 10 por
    ciento de energía excedente, aproximadamente
Gráfica 2. % Capacidad Modulada

En la gráfica 2, se aprecia como el uso de un inversor de
frecuencia en compresores de corriente alterna (AC) tiene una aplicación
limitada, la cual va a partir del 42 por ciento; además, cuando el compresor se
encuentra trabajando a su capacidad nominal, se tiene un excedente de consumo
energético. En contraparte, el compresor digital tiene un rango de aplicación
mucho mayor con ahorros de energía en todo el rango de aplicación.

Es importante no confundir la aplicación de variadores de
frecuencia en compresores AC con aplicaciones de velocidad variable en
compresores BLDC (compresores de corriente directa), ya que estos últimos han
sido diseñados con mecanismos propios que les permitirán lograr una lubricación
adecuada y una aplicación en un rango extendido conforme lo indique el
fabricante.

Ventajas
de la tecnología digital

Los compresores digitales representan una excelente
solución para sistemas con control de capacidad y cargas parciales por los
siguientes motivos:

  • Método infinito de control de capacidad
  • Simplicidad de operación
  • Rotación a velocidad constante
  • Bajo costo agregado a la instalación
  • Eficiencia superior en cargas parciales

Desde una perspectiva de mantenimiento y operación, los
compresores digitales no requieren de ningún cuidado especial, debido a que su
operación es exactamente igual a la de un compresor de etapa fija y sólo cambia
la intermitencia de los periodos de compresión.

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Alonso Amor

Ingeniero
mecánico eléctrico por el Tecnológico de Monterrey. Cuenta con más de 10 años
de experiencia en la industria de la refrigeración y el aire acondicionado en
el área de Ingeniería de Aplicación con posiciones en México y Brasil.
Actualmente, se desempeña como gerente Técnico de México en Emerson Commercial
& Residential Solutions.


Source: Revista Cero Grados Celsius