Módulo Formativo: Máquinas y equipos Térmicos
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Profesor: Manuel Conde Navarrete
MODULO FORMATIVO “MÁQUINAS Y EQUIPOS TÉRMICOS”
UNIDAD DE TRABAJO Nº 8 COMPRESORES FRIGORÍFICOS
2014
Profesor: Manuel Conde 22/03/2014
Unidad de Trabajo nº 8 : Compresores Frigoríficos
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ÍNDICE U.T.8 COMPRESORES FRIGORÍFICOS Página 1.- Función del compresor
3
2.- Tipos de compresores
6
2.1.- El compresor alternativo
9
3.- Componentes del compresor frigorífico alternativo
15
3.1.- El Cigüeñal
15
3.2.- Las bielas
19
3.3.- El pistón
20
3.4.- Válvulas
20
3.5.- La placa de válvulas
21
3.6.- La cabeza del compresor
22
3.7.- Silenciadores
23
3.8.- La carcasa del compresor
23
3.9.- Terminales eléctricos del motor
25
3.10.- Dispositivos de protección del motor interno
26
3.11.- Compresor abierto
27
3.12.- La junta de estanqueidad del árbol
27
4.- Características de los mecanismos accionados por correa
28
5.- Características de los compresores de mando directo 6.- Rendimiento del compresor alternativo 7.- Diseño de la válvula de disco 8.- El líquido en el cilindro del compresor 9.- Mantenimiento del sistema y rendimiento del compresor 10.- Resumen 11.- Actividades
30 31 34 35 36 42 44
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COMPRESORES FRIGORÍFICOS 1.- FUNCIÓN DEL COMPRESOR Al compresor se le considera el corazón del sistema de refrigeración. El término que mejor lo describe es el de bomba de vapor. Lo que hace realmente el compresor es aumentar la presión desde el nivel de la presión de aspiración hasta el nivel de la presión de descarga, es decir generar un desequilibrio de presiones entre las dos partes de éste circuito. Es el encargado de hacer circular el refri gerante por todo el circuito. Por ejemplo, en un sistema de baja temperatura (congeladores) con refrigerante R-12, la presión de aspiración puede ser de 20 kPa y la de descarga de 1.150 kPa. Así pues, el compresor incrementa la presión 1.130 kPa (1.150 — 20 = 1.130), tal y como se muestra en la figura nº 1. Puede que otro sistema tenga un incremento de presión diferente. Por ejemplo, podría tratarse de un sistema de temperatura media (botellero, máquinas de vending, etc.) con una presión de aspiración de 150 kPa y una presión de descarga de 1.150 kPa. Este sistema tendría un incremento de 1.000 kPa (1.150 — 150 = 1.000), tal y como muestra la figura nº 2.
Figura 1
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Figura 2
La relación de compresión es la expresión técnica que se utiliza para hacer referencia a la diferencia de presión; es la presión absoluta del lado de alta presión dividida por la presión absoluta del lado de baja presión. La relación de compresión se expresa en presiones absolutas. Por ejemplo, cuando un compresor está trabajando con refrigerante R-12, con una presión de descarga de 1.150 kPa (50 °C) y una presión de aspiración de 20 kPa (-25 °C), la relación de compresión sería la siguiente: Relación de compresión (RC) = Descarga absoluta/Aspiración absoluta
RC = (1.150 kPa + 100 Kpa atmosférica)/(20 kPa + 100 atmosférica) = 1250/120 = 10 RC = 10
La relación de compresión sirve para comparar las condiciones de bombeo de un compresor. Cuando las relaciones de compresión suben demasiado, por encima de aproximadamente 12:1, para un compresor alternativo hermético, la temperatura del gas refrigerante se eleva hasta tal punto que el aceite utilizado para la lubrificación se podría sobrecalentar.
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El aceite sobrecalentado se podría convertir en carbón y generar ácido en el sistema. Para reducir las relaciones de compresión se puede utilizar una compresión de dos etapas. De esta manera, un compresor se descargaría en el lado de aspiración del otro compresor, tal y como muestra la figura 3.
Figura 3
El refrigerante frío entra por la válvula de aspiración del compresor para llenar los cilindros. Este vapor frío contiene el calor absorbido en el evaporador. El compresor bombea este vapor cargado de calor al condensador para poder expulsar el calor del sistema. El vapor que sale del compresor puede estar muy caliente. Con una presión de descarga de 1.250 kPa, el conducto de descarga del compresor podría estar perfectamente a 95 °C o más. No toques nunca el conducto de descarga si no quieres quemarte los dedos. El compresor está formado por dos partes claramente diferenciadas: -
El elemento motor. Es el encargado de producir el movimiento giratorio que se transmite al compresor a través de un eje.
-
El elemento compresor. Es donde se produce la compresión de los gases gracias a la compresión producida al aprovechar el movimiento del eje motor. El vapor se comprime, concentrándose el calor del gas de aspiración en el gas que sale del
compresor, tal y como se muestra en la figura 4. Unidad de Trabajo nº 8 : Compresores Frigoríficos
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Figura 4
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2.- TIPO DE COMPRESORES En la industria del acondicionamiento de aire y la refrigeración se utilizan cinco tipos principales de compresores: alternativos, de tornillo, rotativos o giratorios, en espiral o scroll y centrífugos. El compresor alternativo (véase la figura 5) es el más utilizado en los sistemas de refrigeración comercial de tamaño medio y pequeño, por lo que vamos a examinarlo en profundidad en este capítulo.
Figura 5. Compresores alternativos de distintos tipos
El compresor de tornillo (véase la figura 6) se utiliza en los grandes sistemas industriales y comerciales y aquí solamente vamos a hablar de él brevemente, dado que se emplea en los sistemas de mayor tamaño que analizaremos posteriormente.
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El compresor giratorio o rotativo (figura 7) y en espiral o scroll (figura 8), junto con el alternativo, se utilizan en los sistemas de acondicionamiento de aire de pequeños comercios y domésticos.
Figura 7. Compresor rotativo o giratorio
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Figura 8. Compresor scroll o espiral Los compresores centrífugos (figura 9), por su parte, se suelen utilizar con frecuencia en los sistemas de acondicionamiento de aire de grandes edificios, y de ellos hablaremos también más adelante.
Figura 9. Compresor centrífugo Unidad de Trabajo nº 8 : Compresores Frigoríficos
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2.1.- El compresor alternativo Los compresores alternativos se clasifican según su carcasa y su dispositivo de accionamiento. Hay dos tipos de compresores según su carcasa: los abiertos y los herméticos (véase la figura 10).
Figura 10 El término hermético hace referencia al tipo de carcasa en cuyo interior se encuentra el compresor y se puede dividir, a su vez, en dos tipos: los que están completamente soldados (figura 11) y los reparables (figura 9.B) también conocidos como semiherméticos. Por su parte, los mecanismos de accionamiento pueden estar tanto en el interior de la coraza como en el exterior de ella. Si el compresor es hermético, el dispositivo de accionamiento será directo. El árbol del compresor y el del motor son el mismo.
Figura 11. Compresor hermético, suelen ser instalados en equipos de potencia pequeña. La mayoría de este tipo de compresores tienen unas características comunes. El conducto de aspiración está conectado directamente a la carcasa y está abierto al cartel del cigüeñal. Unidad de Trabajo nº 8 : Compresores Frigoríficos
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COMPRESORES HERMÉTICOS COMPLETAMENTE SOLDADOS.
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En los compresores herméticos soldados (figura
11), tanto el motor como el compresor se encuentran en el interior de una única coraza que está soldada. A esta unidad se la denomina en ocasiones compresor enlatado, porque para desmontarlo hay que cortar antes dicha coraza. El compresor hermético completamente soldado posee las siguientes características: 1.
El único modo de acceder a su interior es cortando la coraza.
2.
Estas corazas sólo las pueden abrir unas pocas empresas especializadas en este tipo de trabajo. El 99% de las veces, en caso de avería interior se desecha e instala uno nuevo. No se suele reparar.
3.
El árbol del motor y el cigüeñal del compresor son un mismo árbol.
4.
Se suele considerar un dispositivo del lado de baja presión porque el gas de aspiración se descarga por todo el interior de la coraza, lo que incluye el cárter del cigüeñal. El conducto de descarga (alta presión) conduce normalmente al exterior de la coraza, de forma que solamente hay que evaluar el valor de la presión de funcionamiento del lado de baja presión de la coraza.
5.
Generalmente, se enfría con gas de aspiración.
6.
Normalmente, posee un sistema de lubrificación por presión.
7.
El conjunto del motor y el cigüeñal suele estar en posición vertical, con un cojinete en la parte inferior del árbol, junto a la bomba de aceite. El segundo cojinete está situado en medio del árbol, entre el motor y el compresor.
8.
Los pistones y varillas se mueven hacia el exterior del cigüeñal, por lo que trabajan en un ángulo de 90° en relación con el cigüeñal, tal y como se muestra en la figura 11.
COMPRESORES HERMÉTICOS REPARABLES. En
los compresores herméticos reparables (o semi-
herméticos), el motor y el compresor se encuentran en una única coraza cerrada con pernos. Esta unidad se desmonta retirando los pernos y abriendo la coraza por el lugar adecuado (véase la figura 12).
Figura 12. Compresor semihermético Unidad de Trabajo nº 8 : Compresores Frigoríficos
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A continuación, vamos a enumerar las características de un compresor hermético reparable o semihemético: 1.La unidad está cerrada con pernos en lugares que facilitan su reparación y mantenimiento. 2. La carcasa suele estar hecha de hierro fundido y puede tener una carcasa de acero sujeta al compresor de hierro fundido. Normalmente, estos compresores son más pesados que los que
están
completamente soldados. 3. El conjunto del motor y el cigüeñal es parecido al de los compresores completamente soldados, excepto por el hecho de que el cigüeñal suele estar en posición horizontal. 4.Los compresores más pequeños suelen utilizar un sistema de lubrificación por salpicadura y, los más grandes, un sistema de lubrificación por presión (poseen una bomba para el aceite). 5. Suelen estar enfriados por aire y se distinguen por las aletas situadas en la pieza o lámina de metal extra que hay en la parte externa del compresor y que sirve para que la coraza disponga de más área de superficie. 6. Las cabezas de los pistones se encuentran normalmente en la parte superior del compresor o cerca de ella, y suben y bajan desde el centro del cigüeñal, tal y como se muestra en la figura 13.
':
Piezas móviles de un compresor hermético reparable. El cigüeñal está en posición horizontal y las varillas y pistones se mueven hacia dentro y hacia fuera desde el centro del árbol. La bomba del aceite se encuentra al final del árbol y ·extrae ·el aceite desde el cá rter del cigüeñal. Unidad de Trabajo nº 8 : Compresores Frigoríficos
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Figura 13. Interior de un compresor semihermético COMPRESORES ABIERTOS. Existen dos tipos diferentes de compresores abiertos: los accionados por correa y los de mando directo (véase la figura 14). Cualquier compresor que tenga el motor en la parte exterior de la carcasa deberá tener un obturador de árbol para evitar que el refrigerante se escape a la atmósfera. La disposición de este obturador no ha cambiado apenas en muchos años. Los compresores de mando directo están cerrados con pernos y se pueden desmontar para realizar las labores de mantenimiento de las piezas internas.
Figura14 Unidad de Trabajo nº 8 : Compresores Frigoríficos
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COMPRESORES ACCIONADOSPORCORREA. El compresor accionado por correa fue el primer tipo de compresor que se creó y hoy en día se sigue utilizando, en cierta medida. En la unidad accionada por correa, el motor y su árbol se encuentran paralelos al árbol del compresor y el motor está junto al compresor. Fíjate en que, dado que el árbol del motor y el compresor están paralelos, ambos árboles tiran hacia los lados para estirar las correas. Este trabajo impone un esfuerzo a ambos árboles y es preciso que el fabricante lo compense en los cojinetes del árbol. En la figura 15 se muestran alineaciones correctas e incorrectas de los motores y compresores accionados por correa.
Figura 15
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COMPRESORES DE MANDO DIRECTO. El compresor de mando directo se diferencia del accionado por correa en que el árbol del compresor está situado a continuación del árbol del motor. Estos árboles tienen un acoplamiento entre ellos, con un pequeño grado de flexibilidad. Ambos árboles tienen que estar perfectamente alineados para poder funcionar correctamente, tal y como se muestra en la fig. 16.
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COMPRESOR GIRATORIO DE TORNILLO. El compresor giratorio de tornillo es otro medio mecánico de comprimir el gas refrigerante, utilizado en las instalaciones de mayor tamaño. En lugar de un pistón y un cilindro, este compresor utiliza dos engranajes iguales de tipo tornillo mecanizados en cuña y adaptados, que presionan el vapor refrigerante desde la entrada a la salida tal y como se muestra en la figura 17.
Figura 17 El compresor giratorio de tornillo utiliza un motor abierto en vez de uno hermético. Una junta de estanqueidad del árbol atrapa el refrigerante en la carcasa del compresor, en el lugar por donde el árbol giratorio sale de ella. Se usa un acoplamiento flexible para conectar el árbol del motor al árbol del compresor, con el fin de evitar que cualquier pequeña desalineación provoque algún daño en la junta de estanqueidad o el cojinete. Los compresores de tornillo se emplean en los sistemas de mayor tamaño (figura 6). Pueden utilizar cualquier refrigerante de los más habituales, es decir, R12, R-22 o R-502. La presión de funcionamiento en los lados de alta y baja presión del sistema es la misma que en aplicaciones similares de los sistemas alternativos. 3.- COMPONENTES DEL COMPRESOR ALTERNATIVO 3.1.-Cigueñales El cigüeñal de un compresor alternativo transmite el movimiento circular a las bielas y este movimiento se convierte en un desplazamiento hacia atrás y hacia delante (alternativo) de los pistones, tal y como muestra la figura 18. Los cigüeñales suelen estar hechos de hierro fundido o de acero dulce. Se puede moldear los cigüeñales para darles su forma general (con metal fundido que se introduce en un molde) y luego se les puede dar la forma y el tamaño exactos por mecanización. En el caso de la figura 19, el árbol está hecho de hierro fundido. Este proceso de mecanización es de una importancia extrema, porque la cigüeña (la parte descentrada a la que está sujeta la varilla) no gira en círculo (en relación con el
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centro del árbol) cuando se coloca en un torno. El operario tiene que saber cómo trabajar con este tipo de diseño. Estos árboles descentrados disponen normalmente de dos superficies de cojinetes principales, además de las superficies de cojinetes descentradas: una en el lado del árbol correspondiente al motor y otra en el otro extremo. El cojinete del motor suele ser el más grande, porque es el que tiene que soportar mayor carga.
Figura 18. Cigüeñal, bielas y pistones
Figura 19
Algunos árboles son rectos y tienen una disposición de tipo leva, que se denomina excentrado o de excéntrica. Esto permite que el árbol sea de acero y recto. Puede que este árbol no sea más duradero, pero es fácil de mecanizar. Los excentrados se pueden descentrar con respecto al árbol para lograr la acción de movimiento alternativo, tal y como muestra la figura 20. Observe que se tiene que utilizar una biela distinta en el árbol excentrado, porque el extremo de la biela tiene que encajar en el gran excentrado del cigüeñal.
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Figura 20
Todos estos árboles tienen que estar lubricados. Los compresores más pequeños que utilizan el sistema de lubrificación por salpicadura pueden tener una cubeta de recolección de aceite y hacer que fluya por la parte central del árbol, tal y como muestra la figura 21. Posteriormente, cuando el compresor entra en funcionamiento, este aceite se arroja fuera de la superficie del cigüeñal. Esto hace que el aceite vaya a las otras piezas, como las varillas que hay a ambos extremos.
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Figura 21 Algunos de los árboles se perforan y lubrifican mediante un sistema de lubrificación por presión. Estos compresores tienen una bomba de aceite instalada en el extremo del cigüeñal, que gira con el propio cigüeñal. Ver la figura 22
Figura 22 Unidad de Trabajo nº 8 : Compresores Frigoríficos
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3.2.- Bielas Las bielas sirven para conectar el cigüeñal al pistón. Estas varillas suelen ser de dos tipos: uno que encaja en el cigüeñal con cigüeñas descentradas y otro que encaja en el cigüeñal excentrado, tal y como muestran las figuras 18 y 20. Las bielas pueden estar hechas de muchos materiales diferentes como, por ejemplo, hierro, cobre y aluminio. El diseño de la biela es importante, porque va a soportar mucha carga en el compresor. Si el cigüeñal está conectado directamente con el motor y el motor funciona a 2900 rpm, el pistón que se encuentra en la parte superior de la biela cambia de dirección 5.800 veces por minuto. La biela es la conexión entre este pistón y el cigüeñal y es el vínculo para este cambio de dirección. Las bielas que tienen grandes orificios en el extremo correspondiente al árbol se utilizan en los árboles excentrados. No se pueden retirar cuando el árbol está colocado en su sitio. Hay que retirar primero el árbol para poder sacar el pistón del cilindro. Las varillas con pequeños orificios, por su parte, se utilizan en los árboles descentrados, tienen el extremo dividido y se fijan mediante pernos, tal y como muestra la figura 18. Estas bielas se pueden desconectar del cigüeñal y la biela y el pistón se pueden extraer sin necesidad de retirar el cigüeñal. La biela es pequeña en el extremo del pistón y se ajusta al pistón utilizando un método diferente. La biela posee normalmente un conector, que se denomina pasador del pistón, que se desliza a través del pistón y del extremo superior de la biela. Casi siempre suele tener un anillo de retención para evitar que el pasador del pistón se deslice hasta la pared del cilindro, tal y como muestra la figura 23.
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3.3.- El pistón El pistón es la pieza del cilindro que se expone al gas de alta presión durante la compresión. Durante la carrera ascendente, los pistones tienen gas a alta presión en la parte superior y gas a baja presión o de aspiración en la parte inferior. Para bombear, tienen que deslizarse hacia arriba y hacia abajo en el cilindro. Deben emplear algún método para evitar que el gas de alta presión se deslice hasta el cárter del cigüeñal. En los pistones de mayor tamaño, se utilizan anillos (segmentos) como los que se emplean en los motores de los automóviles. Estos anillos son de dos tipos: de compresión y de aceite. Los compresores de menor tamaño utilizan el aceite de las paredes del cilindro como junta de estanqueidad. La figura 24 muestra el perfil transversal de estos anillos.
Figura 24
3.4.- Válvulas Las válvulas que hay en la parte superior del compresor son las que determinan la dirección hacia la que va a fluir el gas que entra en el compresor. Estas válvulas están hechas de un acero muy duro. Los dos tipos de válvulas a los que pertenecen la mayoría de las válvulas que hay actualmente en el mercado son las válvulas de anillo y las válvulas de charnela (o de lámina). Estas válvulas se utilizan en los orificios de descarga y de aspiración del compresor. Las válvulas de anillo tienen forma circular, con unos muelles por debajo. Si se utilizan válvulas de anillo para la aspiración y la descarga, la más grande será la válvula de aspiración (figura 25).
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Las válvulas de charnela tienen muchas formas diferentes, dependiendo de cada fabricante (véase la figura 26).
Figura 25 3.5.- La Placa de Válvulas
Figura 26
La placa de válvula es la que sujeta las válvulas de charnela de descarga y aspiración. Está situada entre la cabeza del compresor y la parte superior de la pared del cilindro (figura 27). Existen varios métodos para mantener las válvulas en su lugar sin ocupar más espacio del necesario. De hecho, la parte inferior de la placa sobresale hacia el interior del cilindro. Cualquier volumen de gas que no pueda ser bombeado fuera del cilindro a causa del diseño de la válvula, se volverá a expandir durante la carrera descendente del pistón. Esto hace que el compresor sea menos eficiente.
Figura 27. Placas de válvulas típicas que se emplean para sujetar las válvulas. Se puede sustituir o reconstruir, si no están muy dañadas. Hay una junta de estanqueidad en ambos lados. Unidad de Trabajo nº 8 : Compresores Frigoríficos
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3.6.- La cabeza del compresor El componente que se encarga de mantener juntos la parte superior del cilindro y su estructura es la cabeza. Esta cabeza está situada en la parte superior del cilindro y almacena el gas de alta presión del cilindro hasta que se traslada al conducto de descarga. Con frecuencia, esta cabeza contiene la cámara de aspiración, que está separada de la cámara de descarga por un separador y unas juntas obturadoras o de estanqueidad. Estas cabezas poseen muchas configuraciones diferentes y han de hacer dos cosas: mantener la presión y mantener la placa de la válvula en el cilindro. En algunos compresores herméticos soldados, estas cabezas están hechas de acero, mientras que en los compresores herméticos reparables son de hierro fundido. Las cabezas de hierro fundido pueden encontrarse dentro de la corriente de aire en movimiento y disponen de aletas que les ayudan a disipar el calor de la parte superior del cilindro (véase la figura 28)
Figura 28
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3.7.- Silenciadores Los silenciadores se utilizan en muchos compresores totalmente herméticos para silenciar el ruido de las vibraciones del compresor. Si no se silencian, las vibraciones audibles de la aspiración y descarga se podrían trasmitir a las tuberías. Hay que diseñar los silenciadores de tal modo que tengan muy poca caída de presión y, sin embargo, silencien las vibraciones de la descarga (ver figura 29).
Figura 29
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3.8.- La carcasa del compresor La carcasa es donde se guarda el compresor y, en ocasiones, el motor eléctrico que lo acciona. En los compresores herméticamente soldados, esta carcasa está fabricada de acero conformado, mientras que en los compresores herméticos reparables, es de hierro fundido. El compresor hermético soldado está diseñado de tal forma que la coraza del compresor está a la presión del lado bajo. El compresor está instalado en el interior de la coraza y el conducto de descarga conduce normalmente hasta el exterior de dicha carcasa. Esto implica que la carcasa no ha de tener una presión de prueba tan elevada como la del lado de alta presión. Las figura 7 y 11 muestran el corte transversal en un compresor hermético que se encuentra en el interior de una coraza soldada y el método que se utiliza para soldar dicha coraza. Existen dos métodos para instalar el compresor en el interior de la coraza: el montaje rígido y el montaje elástico. Durante muchos años se utilizó el montaje rígido. La coraza del compresor estaba instalada sobre unos muelles externos que había que cerrar fuertemente con pernos antes de transportarlo. Se suponía que había que aflojar estos pernos durante la instalación. No obstante, a veces no se aflojaban y el compresor vibraba porque, sin los muelles, estaba instalado de manera rígida en la carcasa del condensador. Los muelles externos también se pueden oxidar, sobre todo en aquellos lugares en los que haya mucha concentración de sal en el aire.( Ver figura 30)
Figura 30 En los compresores montados sobre muelles internos el compresor se encuentra en realidad suspendido sobre unos muelles dentro de la coraza. Los compresores montados de esta manera disponen de ciertos Unidad de Trabajo nº 8 : Compresores Frigoríficos
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métodos para evitar que el compresor se mueva demasiado durante el transporte. Puede que, en ocasiones, el compresor se suelte de uno o dos de los muelles internos. Cuando esto ocurra,
el
compresor funcionará y bombeará correctamente, pero emitirá un ruido durante el encendido o durante el apagado, o durante ambos. Si el compresor se desprende de sus muelles internos, es imposible repararlo in situ (véase la figura 31 ).
Figura 31
3.9.- Los terminales eléctricos del motor Debe haber siempre algún tipo de conductor que se encargue de llevar la electricidad desde la red eléctrica externa hasta el motor interno. Es preciso que esta energía necesaria para hacer funcionar el motor pase a través de la carcasa del compresor sin que haya ninguna fuga de refrigerante. La coraza del compresor también tiene que estar aislada de la corriente eléctrica. Estos terminales son, en ocasiones, de cristal fundido con un terminal en el medio en los compresores de menor tamaño. Cuando se requieren terminales más grandes, los terminales se colocan a veces en un bloque de fibra con un obturador de junta tórica, tal y como muestra la figura 32.
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Figura 32 Hay que tener mucho cuidado con estos terminales (por posibles conexiones eléctricas sueltas) para evitar un sobrecalentamiento. Si el terminal se sobrecalienta, se produciría una fuga. Si el bloque del terminal es de cristal fundido, va a ser bastante difícil repararlo. Los terminales de cristal fundido soportan más calor, pero tienen un límite en cuanto al calor que pueden aceptar. Las placas de terminales de fibra y con juntas tóricas soportan menos calor pero, cuando se estropean, se pueden remplazar con piezas nuevas. No obstante, puede que haya una fuga de refrigerante antes de que se llegue a descubrir el problema. 3.10.- Dispositivos de protección del motor interno Los dispositivos internos de protección frente a sobrecarga de los motores herméticos sirven para evitar que el motor se sobrecaliente. Estos mecanismos están incrustados en los devanados y están conectados de dos maneras diferentes. El primer tipo de dispositivo interrumpe el circuito de alimentación en el interior del compresor. Dado que este tipo de dispositivo es interno y conduce la corriente de alimentación, está limitado a los compresores de menor tamaño. Además, tiene que estar Unidad de Trabajo nº 8 : Compresores Frigoríficos
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aislado para evitar que el arco eléctrico afecte al refrigerante, tal y como muestra la figura 33. Si un contacto de este tipo de dispositivo permaneciera abierto, no se podría volver a poner en marcha el compresor, por lo que habría que reemplazarlo. El segundo dispositivo de protección frente a sobrecarga del motor interrumpe el circuito de regulación. Está conectado al exterior del compresor con el circuito de regulación. Si un dispositivo de este tipo que está conectado con el exterior del compresor permaneciera abierto, se podría añadir en su lugar un dispositivo de sobrecarga externo.
3.11.- El compresor abierto En los compresores abiertos, el motor se coloca en el exterior de la coraza del compresor. El árbol sobresale de la carcasa hacia el exterior en donde se le conecta una polea o un acoplamiento. Este compresor es, por naturaleza, de servicio pesado, por lo que hay que montarlo de tal forma que quede Unidad de Trabajo nº 8 : Compresores Frigoríficos
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firmemente asegurado a la base. El motor puede estar a continuación del árbol del compresor o al lado del compresor, utilizándose correas y poleas para hacer girar el compresor. 3.12. La junta de estanqueidad del árbol La presión que hay en el interior del cárter del cigüeñal puede encontrarse en un vacío (por debajo de la presión atmosférica) o ser positiva. En las unidades de temperatura extremadamente baja que utilizan refrigerante R-12, la presión podría estar fácilmente en un vacío. Si la junta de estanqueidad del árbol tuviera una fuga, la atmósfera se introduciría en el cárter del cigüeñal. Por otra parte, cuando el compresor está en reposo, puede tener una presión positiva elevada. Por ejemplo, si utilizáramos refrigerante R-502 y el sistema estuviera apagado durante periodos de tiempo bastante extensos la presión del carter del cigüeñal alcanzaría presiones importantes. La junta de estanqueidad del árbol del compresor ha de ser capaz de mantener el refrigerante en el interior del compresor en cualquier tipo de condiciones y mientras el árbol está girando a gran velocidad (ver figura 34)
Figura 34
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La junta de estanqueidad del árbol dispone de una superficie de roce que sirve para separar el refrigerante de la atmósfera. Esta superficie está hecha, normalmente, de un material de carbón que roza contra una superficie de acero. Si estas dos superficies están montadas correctamente, podrían estar rozándose durante muchos años sin producirse ningún desgaste. Para que dichas superficies estén montadas correctamente, los árboles tienen que estar perfectamente alineados y los cojinetes encontrarse en buen estado. Las correas asimismo, deben tener la tensión correcta si la unidad se acciona mediante ellas. Si la unidad es de mando directo, los árboles tendrán que estar alineados tal y como se indique en las instrucciones del fabricante. 4.- CARACTERÍSTICAS DE LOS MECANISMOS ACCIONADOS POR CORREA En los compresores accionados por correa, el motor está instalado junto al compresor y tanto este motor como dicho compresor disponen de una polea. La polea del motor se denomina polea de accionamiento, mientras que la del compresor es la polea accionada. En ocasiones, la polea de accionamiento se puede ajustar, lo que permite, a su vez, ajustar la velocidad del compresor. También es posible cambiar el tamaño de esta polea de accionamiento para modificar la velocidad del compresor. Esta característica puede suponer una gran ventaja si el compresor es demasiado grande para determinado trabajo (porque tiene demasiada capacidad y hay que reducir su velocidad para compensar el tamaño. La siguiente figura muestra varias poleas.
También se puede acelerar el compresor para que tenga suficiente potencia de reserva (es decir, si el motor no está trabajando ya a su máxima potencia). Si es preciso cambiar el tamaño de la polea, debes consultar con el fabricante, para estar seguro de no exceder los límites de diseño del compresor. Unidad de Trabajo nº 8 : Compresores Frigoríficos
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La fórmula para calcular el tamaño de la polea de accionamiento se determina utilizando la información obtenida del propio sistema. La velocidad del motor suele ser fija; es decir, de 1.450 o 2.900 rpm, y la polea (rueda) del compresor suele ser también de tamaño fijo. Lo único que varía es la polea de accionamiento. Un problema típico sería cuando se está utilizando un motor de 1.450 rpm y una polea de 10 cm para accionar un compresor a 725 rpm, con un tamaño de polea de 20 cm. Si se quiere reducir la velocidad del compresor hasta 500 rpm para reducir la capacidad ¿cuál sería el tamaño de la nueva polea de accionamiento? Ésta es la fórmula: Tamaño de la polea de accionamiento x rpm de la polea de accionamiento = Tamaño de la polea accionada x rpm de la polea accionada, o bien: Polea 1 x rpm 1 = Polea 2 x rpm 2 (nueva rpm deseada) Resuelve ahora el problema para la polea 1, replanteado de la siguiente manera: Polea 1 = Polea 2 x rpm 2 / rpm1
Polea 1 = 20 cm x 500 rpm /1.725 rpm = 6,9 cm Polea 1 = 6,9 o 7 cm La mayoría de los compresores no están diseñados para trabajar por encima de ciertas rpm; quien te puede proporcionar esta información es el propio fabricante. Si necesita utilizar una polea de determinado tamaño, el proveedor de poleas te ayudará a elegir la adecuada. También se debe calcular el tamaño de las correas. La elección de las poleas y las correas correctas es de suma importancia. Los árboles del compresor y del motor tienen que estar alineados correctamente y hay que aplicar la tensión adecuada a las correas. Tanto la base del motor como la del compresor deberán estar sujetas firmemente, de tal modo que ninguna dimensión varíe durante el funcionamiento. Puede haber que tener en cuenta varias combinaciones de correas. El dispositivo de accionamiento del compresor puede disponer de múltiples correas, o de una única correa, si el compresor es pequeño. También existen diferentes tipos de correas. Hay que tener en cuenta aspectos como el ancho de la correa, su sujeción y el material con el que está fabricada. Si se utilizan varias correas, hay que comprarlas en conjuntos equilibrados. Si, por ejemplo, un compresor y motor en particular dispusieran de cuatro correas en V de un ancho B y de 2 metros de longitud, habría que pedir cuatro correas de 2 metros de ancho B que hayan sido equilibradas en la fábrica para conseguir la longitud exacta. A estas correas se las denomina correas equilibradas y hay que utilizarlas en las instalaciones de múltiples correas.
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5.- CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPRESORES DE MANDO DIRECTO El compresor de mando directo está limitado a la velocidad a la que gira el motor de accionamiento. En este tipo de instalaciones, los extremos de los árboles del compresor y el motor se tocan. Estos árboles poseen un acoplamiento ligeramente flexible entre ellos y deben estar estrechamente alineados porque, de lo contrario, los cojinetes y la junta de estanqueidad se estropearían prematuramente (véase la figura 36). Esta combinación de motor y compresor está instalada sobre una base rígida común.
Figura 36 Tanto el motor como el compresor suelen estar construidos de tal forma que se puedan reparar in situ. Así pues, una vez que los árboles están alineados, la coraza del motor y la coraza del compresor se pueden cerrar, pudiendo permanecer siempre en su lugar. Si hay que reparar el motor o el compresor, se pueden retirar las piezas internas para tal efecto y, en el momento de volverlas a montar, los árboles de alinearían de nuevo automáticamente. El compresor alternativo no ha cambiado de manera apreciable en muchos años. Los fabricantes están intentando mejorar continuamente el rendimiento del motor y del bombeo. La disposición de las válvulas puede mejorar el rendimiento de dicho bombeo y se está investigando este tema para introducir mejoras.
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6.- RENDIMIENTO DEL COMPRESOR ALTERNATIVO El rendimiento de un compresor viene determinado por su diseño. Dicho rendimiento comienza dependiendo del llenado del cilindro. A continuación, vamos a enumerar la secuencia de acontecimientos que tiene lugar en el interior de un compresor alternativo durante la operación de bombeo. Vamos a utilizar una aplicación de temperatura media (un botellero o cámara de conservación de carne) como ejemplo de la secuencia de bombeo. La presión de aspiración es de 150 kPa (0,15 bar) y la de descarga de 1.250 kPa (12,5 bar). 1.
El pistón está en la parte superior de la carrera y comienza a descender. Cuando el pistón ha descendido lo suficiente como para que la presión que hay en el cilindro sea menor que la que hay en el conducto de aspiración, se abre la válvula de charnela de admisión y el cilindro comienza a llenarse de gas, tal y como muestra la figura 37.
Figura 37
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2.
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El pistón continúa descendiendo hasta la parte inferior de la carrera. Llegados a este punto, el cilindro está prácticamente lleno. Hay un ligero retardo de tiempo en la parte inferior de la carrera, a medida que el cigüeñal dirige la varilla alrededor de la parte inferior de la carrera, tal y como se muestra en la figura 38.
Figura 38
3.
El pistón comienza a subir. La cigüeña de la varilla ya ha sobrepasado el punto muerto y el pistón comienza a ascender. Cuando el cilindro está lleno, la válvula de charnela de aspiración se cierra.
4.
El pistón continúa subiendo hasta la parte superior de la carrera. Cuando el pistón llega hasta un punto próximo a la parte superior, la presión del cilindro sube por encima de la del conducto de descarga. Si la presión de descarga es de 1.250 kPa, la presión del interior del cilindro tendrá que alcanzar los 1.300 kPa para contrarrestar las válvulas de descarga y la tensión del muelle, tal y como muestra la figura 39.
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Figura 39 5.
El pistón se encuentra exactamente en el punto muerto superior. El pistón ya está lo más próximo posible a la parte superior de la cabeza. Deberá haber cierta separación en el ensamblaje de las válvulas y entre el pistón y la cabeza porque, de lo contrario, éstas se tocarían. Esta separación se denomina espacio muerto. El pistón va a hacer salir tanto gas del cilindro como permitan el tiempo y el espacio muerto. En este espacio quedará una pequeña cantidad de gas, tal y como muestra la figura 40, que tendrá la presión de descarga que ya hemos apuntado.
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Cuando el pistón comienza descender de nuevo, este gas se volverá a expandir y el cilindro no se comenzará a llenar hasta que la presión del cilindro esté por debajo de los 150 kPa de la presión de aspiración. La expansión de este refrigerante es una de las razones por las que el compresor no es eficiente al 100%. (rendimiento volumétrico) Otras razones radican en el propio diseño de la válvula y en el corto periodo de tiempo del que dispone el cilindro para llenarse en la parte inferior de la carrera. 7.- DISEÑO DE LA VÁLVULA DE DISCO El diseño de la válvula de disco permite disponer de una tolerancia menor en el interior del cilindro del compresor, en el punto muerto superior. Esta tolerancia hace que el compresor tenga mayor rendimiento, dado que hay menos volumen de holgura. La válvula de disco también posee
un
diámetro mayor y permite que fluya más gas a través del orificio en un periodo de tiempo muy corto. La figura 41. muestra una válvula y una placa convencionales y una placa y una válvula de disco.
Figura 41
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8.- PRESENCIA DE LÍQUIDO EN EL CILINDRO DEL COMPRESOR El compresor alternativo de pistón se considera un dispositivo de desplazamiento positivo, lo que significa que cuando el cilindro comienza la carrera ascendente, o se vacía o se atasca. Si el cilindro está lleno de líquido refrigerante, que no se comprime (ya que los líquidos no se pueden comprimir). Algo se va a estropear. Se pueden romper el pistón, la válvula y la biela si una gran cantidad de líquido se introduce en el cilindro (figura 42).
Figura 42 El líquido en los compresores puede suponer un problema desde más de un punto de vista. Las grandes cantidades de líquido, a las que se suele denominar golpes de líquido, suelen provocar daños inmediatos. Las pequeñas cantidades de refrigerante líquido pueden ser igualmente perjudiciales, pero sus efectos son más lentos. Si en el cilindro entran pequeñas cantidades de líquido, este líquido puede hacer que el aceite se diluya. Si el compresor no tiene protección mediante la lubrificación de aceite, puede que este hecho no sea aparente hasta que el compresor falle. Un aspecto de este fallo del compresor sería que la carencia de presión de aceite hiciera que se doblara una varilla, lo que se consideraría un fallo mecánico. Esto puede hacer que el motor se estropee y se queme. El técnico podría diagnosticar erróneamente que se trata de un problema eléctrico. Si el compresor está soldado
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herméticamente, puede que el técnico tenga dificultades para diagnosticar el problema hasta que tenga lugar otro fallo. Nunca debemos dar por hecho que el fallo es del compresor. Debemos examinar cuidadosamente el sistema durante el arranque y buscar cualquier posible problema.
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9.- MANTENIMIENTO DEL SISTEMA Y RENDIMIENTO DEL COMPRESOR Para mejorar el
rendimiento
global del
compresor hay
que mantener las condiciones de
funcionamiento correctas. Esto implica que hay que mantener la presión de aspiración tan alta y la presión de descarga tan baja como sea posible, dentro de los parámetros de diseño. Si el evaporador está sucio, la presión de aspiración descenderá y, cuando dicha presión desciende por debajo de lo normal, el vapor que bombea el compresor se hace menos denso y más fino. En ese caso, el rendimiento del compresor es menor. En el pasado, no se solía prestar mucha atención a los evaporadores sucios. No obstante, los técnicos se están empezando a dar cuenta de que una presión baja en el evaporador da lugar a relaciones de compresión altas. Por ejemplo, si una cámara frigorífica de una tienda de helados se hubiera diseñado para trabajar a una temperatura de —20 °C, la temperatura del serpentín sería de —28 °C, aproximadamente (utilizando una diferencia de temperatura entre el serpentín y el aire de retorno de 8 °C). Si se está utilizando refrigerante R-12, la presión de aspiración sería de 5 kPa, es decir, ligeramente superior a la presión atmosférica. Si el condensador trabaja con una diferencia de 15 °C de temperatura con el aire exterior y éste se encuentra a 35 °C, el siguiente cálculo determinaría que la relación de compresión es de 11:1, tal y como muestra la figura 43. Relación de compresión = Presión absoluta de descarga/Presión absoluta de aspiración
RC = (1.100 kPa + 100) (atmósfera)/(5 kPa + 100) (atmósfera) = 1200/105 = 11,4 RC = 11,4:1 1.100 kPa = temperatura de condensación del R-12 a 50 °C, (35º C + 15º C = 50º C) 5 Kpa = temperatura del evaporador de ebullición a – 28º C
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5 kPa Compresor
Condensador Temperatura de condensación de 50 ºC
35 ºC Entrada de aire
Entrada de aire
Unidad de condensación situada detrás de la tienda
Evaporador en la tienda
Temperatura de ebullición en el serpentín de -28 ºC Presión absoluta de descarga Relación de compresión = -----------Presión absoluta de aspiración RC =
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1.100 kPa + 100 (atmósfera) 5 kPa + 100 (atmósfera)
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RC = 11 a 1
Sistema trabajando con una relación de compresión normal. Fíjese en que el condensador es lo suficientemente grande como para mantener baja la presión de descargo. Figura 43
Si el serpentín fuera viejo y estuviera sucio (figura 44) y la temperatura del serpentín se redujera a -35 °C, la presión de descarga se mantendría igual, pero una nueva temperatura de ebullición del refrigerante de -35 °C produciría una presión de aspiración de 150 mm de mercurio de vacío, lo que estaría por debajo de la presión atmosférica. Se trata de una presión absoluta de 80 kPa, a la que se llega convirtiendo los mm de mercurio de vacío en mm de mercurio absolutos y luego convirtiéndolos en kPa. (760 mmHg = 1 Bar = 100 Kpa ), con una simple regla de tres obtenemos:
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Figura 44
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Módulo Formativo: Máquinas y equipos Frigoríficos 1º Frío y calor
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760 mm-------------->100Kpa 610 mm--------------> X
X = 610 x 100/ 760 = 80 Kpa
760 mm de mercurio absolutos - 150 mm de mercurio de vacío = 610 mm de mercurio absolutos La nueva relación de compresión es de 15, RC = 1.100 kPa + 100 (atmósfera) / 80 kPa absolutos Esta relación de compresión es demasiado alta. La mayoría de los fabricantes recomiendan que la relación de compresión no sobrepase 12:1. Podría ocurrir exactamente lo mismo si el gerente de la tienda bajara el termostato del compartimento refrigerado hasta -27 °C. La temperatura del serpentín descendería hasta -35 °C y la relación de compresión sería de 15:1, la cual es demasiado alta. Hay muchos frigoríficos de baja temperatura que trabajan a temperaturas inferiores a las que son necesarias. Esto suele dar lugar a problemas en el compresor. Asimismo, si el compresor está sucio, también puede subir la relación de compresión, pero no tan rápidamente como cuando el que está sucio es el evaporador. Por ejemplo, si el compartimento de almacenamiento de helados anterior trabajara con una presión de 5 kPa en el evaporador y el condensador se ensuciara hasta el punto de que la presión de descarga se elevara hasta 1.200 kPa, la relación de compresión sería de 12,4:1 (figura 45). Esta situación no es recomendable, pero no es tan mala como la del ejemplo anterior. RC = 1.200 kPa + 100 (atmósfera) / 5 kPa + 100 (atmósfera), RC = 12,4:1
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Figura 45 Si ambas situaciones se dieran a la vez, como en la figura 46, el compresor tendría una relación de compresión de 16,25:1 y lo más probable es que no durara mucho en dichas condiciones. RC = 1.200 kPa + 100 (atmósfera)/ 80 kPa absolutos, RC = 16,25:1
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Figura 46
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El técnico es el responsable de mantener el equipo para poder obtener el mayor rendimiento o bien de protegerlo con un programa de mantenimiento. La limpieza de los serpentines forma parte de este programa. Normalmente, el propietario no es consciente de la importancia de este aspecto. Si el condensador está sucio, la presión de descarga sube, lo que hace que la cantidad de refrigerante que hay en el espacio muerto (en la parte superior del cilindro del compresor) sea mayor de lo que permiten las condiciones de diseño. Esto hace que el rendimiento del compresor descienda. Si el condensador está sucio (lo que supone una presión de descarga alta) y el evaporador también está sucio (lo que implica una presión de aspiración baja), el compresor trabajará durante más tiempo para mantener el espacio refrigerado a la temperatura de diseño, por lo que el rendimiento global descenderá. Puede que un cliente que tenga muchos equipos no se dé cuenta de este descenso del rendimiento si sólo afecta a algunos equipos. Si descendiera el rendimiento de un compresor, eso implicaría que el propietario estaría pagando más dinero por menos cantidad de refrigeración. Por este motivo, a la larga, los buenos programas de mantenimiento resultan rentables.
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10.- RESUMEN DEL TEMA 8 •El compresor es una bomba de vapor. •El compresor no puede comprimir refrigerante líquido. •El compresor sube el gas de presión baja desde el lado de aspiración del sistema hasta el lado de descarga. •El gas de descarga puede estar muy caliente, porque el caLor contenido en el gas frío de aspiración se concentra cuando el compresor lo comprime. •Al gas se le añade calor adicional a medida que pasa por el compresor, porque una parte de la energía de trabajo no se convierte directamente en compresión, sino en calor. •El conducto de descarga de un compresor puede estar a 95 °C en un día de calor y, a pesar de ello, seguir funcionando normalmente. •Se suelen utilizar dos tipos de compresores para el proceso de compresión en los sistemas de refrigeración comercial: el compresor alternativo y el compresor de tornillo giratorio. •El compresor de tornillo comprime el vapor entre engranajes de tipo tornillo en cuña y se utiliza en instalaciones de gran tamaño. •Hay tres tipos de compresores alternativos: los herméticos, semiherméticos y los abiertos. •Los compresores herméticos pueden estar soldados o ser reparables. •Para realizar el mantenimiento de los compresores herméticos soldados hay que cortar su coraza y esto solamente lo pueden hacer ciertos talleres especializados. •La coraza de los compresores herméticos reparables está cerrada con pernos, los cuales se pueden
desmontar in situ. •Los compresores alternativos tienen componentes muy similares: cigüeñales, bielas, bombeo de aceite, pistones, placas de válvula, cabezas y corazas. •La mayoría de los motores de los compresores alternativos se enfrían con gas de aspiración, aunque algunos se enfrían con aire. •En todos los compresores herméticos, el motor trabaja en atmósfera de refrigerante, por lo que hay que tener mucho cuidado durante la fabricación y el mantenimiento de estos motores. •El árbol de los compresores herméticos tiene el motor en un extremo y el compresor en el otro. •En los motores herméticos se utilizan unos dispositivos internos de protección contra sobrecarga especiales que trabajan en el interior de la atmósfera de refrigerante. •Uno de los tipos de dispositivos de protección contra sobrecarga internos sirve para interrumpir la propia corriente de alimentación. Si este dispositivo no se cierra cuando debería, el compresor estará defectuoso.
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•El otro dispositivo interno es de tipo piloto y sirve para interrumpir la tensión de control. Se podría instalar otro dispositivo externo, si le ocurriera algo a este mecanismo. •Los compresores alternativos son bombas de desplazamiento positivo, lo que significa que, cuando el cilindro está lleno de líquido o gas, dicho cilindro debe vaciarse porque, de lo contrario, se produciría una avería. •En los compresores abiertos, el motor está en la parte exterior de la coraza. •El motor puede estar instalado tanto junto al compresor, en cuyo caso los árboles del compresor y el motor estarían juntos, como a continuación del árbol del compresor, con un acoplamiento flexible entre dichos árboles. •En cualquiera de los casos, es extremadamente importante que el árbol y el motor estén alineados. •Hay diversos tipos de correas para las aplicaciones con accionamiento por correas. Si quieres consejo sobre este tema, debes consultar al proveedor del fabricante correspondiente. •El rendimiento de los compresores alternativos depende, principalmente, del espacio muerto y del rendimiento del motor. •Las válvulas de disco están diseñadas de tal modo que disponen de menos espacio muerto y un área mayor a través de la que puede fluir el gas y, por consiguiente, su rendimiento es mayor. •El nivel de rendimiento continuo de los compresores depende, en gran medida, de un buen programa de mantenimiento.
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11.- ACTIVIDADES A REALIZAR EN CASA
1.- Describe el funcionamiento de un compresor. 2.- Enumera cinco tipos de compresores. 3.- ¿Los compresores pueden comprimir líquidos? 4.- ¿Por qué el gas de descarga sale tan caliente del compresor? 5.- ¿Qué es lo que se considera una temperatura alta normal en un conducto de descarga de gas de un compresor alternativo? 6.- ¿Cómo se suele enfriar el motor de un compresor hermético soldado? 7.- ¿Qué tipo de compresor utiliza pistones para comprimir el gas? 8.- ¿Qué tipo de compresor utiliza engranajes de tipo tornillo en cuña para atrapar el gas para la compresión? 9.- ¿Qué tipo de compresor utiliza correas para hacer girar el compresor? 10.- ¿Qué habría que hacer para aumentar la velocidad de un compresor accionado por correa? 11.- Describe el pistón, la biela, el cigüeñal, las válvulas, la placa de la válvula, la cabeza, la junta de estanqueidad del árbol, el dispositivo interno de protección frente a sobrecarga del motor, el dispositivo de tipo piloto de protección contra sobrecarga del motor y el acoplamiento de los compresores alternativos. 12.- Enumera dos factores del diseño de los compresores alternativos que afectan al rendimiento del compresor. 13.- ¿Por qué el diseño de las válvulas de disco es más eficiente que el diseño de una válvula de charnela convencional? 14.- ¿A qué velocidades gira normalmente un compresor hermético? 15.- ¿Qué efecto tiene una pequeña cantidad de líquido en un compresor durante un período de tiempo largo? 16.- ¿Qué es lo que lubrifica el compresor de refrigeración? 17.- ¿Qué puede hacer el técnico para conseguir que el sistema de refrigeración tenga el máximo rendimiento?
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18.- En un sistema de baja temperatura (congeladores) con refrigerante R-134, la presión de aspiración es de 10 kPa y la de descarga de 1.250 kPa. a) ¿Cuánto ha incrementado la presión el compresor? b) ¿Cuál es la relación de compresión?¿Es válida?¿Por qué?
19.-La velocidad del motor eléctrico de un compresor abierto es de 2.900 rpm, y la polea del compresor es fija con un diámetro de 10 cm . La polea de accionamiento del motor tiene diferentes diámetros porque tiene tres poleas instaladas en su eje, una de 10cm, otra de 15 cm y otra de 20 cm. ¿Qué tamaño de polea de accionamiento elegirias para que el compresor girara a 1450 rpm?
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