Soplador Roots

El compresor Roots es una bomba de lóbulos de desplazamiento positivo que funciona bombeando un fluido mediante un par de lóbulos que engranan entre sí, similares a un conjunto de engranajes alargados. El fluido queda atrapado en cavidades que rodean los lóbulos y se transporta desde la admisión hasta el escape.

El diseño del compresor Roots no incorpora ninguna reducción de volumen ni aumento de presión a medida que pasa el aire u otro fluido, por lo que se puede describir mejor como un compresor en lugar de un sobrealimentador, a diferencia de otros diseños de "sobrealimentadores" como Cozette, Centric, Shorrock , Powerplus y también el sobrealimentador de flujo axial tipo Eaton, que tienen "compresión" interna.

La aplicación más común del compresor Roots ha sido como dispositivo de admisión en motores diésel de dos tiempos , como los fabricados por Detroit Diesel y Electro-Motive Diesel . Los compresores Roots también se utilizan para sobrealimentar motores de cuatro tiempos de ciclo Otto , donde el compresor es accionado por el cigüeñal del motor mediante una correa dentada o trapezoidal , una cadena de rodillos o un tren de engranajes .

El soplador tipo Roots recibe su nombre de los inventores estadounidenses y hermanos Philander y Francis Marion Roots , fundadores de la Roots Blower Company de Connersville, Indiana , quienes patentaron el diseño básico en 1860 como una bomba de aire para su uso en altos hornos y otras aplicaciones industriales. En 1900, Gottlieb Daimler incluyó un soplador tipo Roots en un diseño de motor patentado, lo que convierte al soplador tipo Roots en el más antiguo de los diversos diseños disponibles. Los sopladores Roots se conocen comúnmente como sopladores de aire o sopladores PD (de desplazamiento positivo). ^{[ 1 ]}

El compresor Roots es sencillo y de uso generalizado. Puede ser más eficaz que otros compresores alternativos para generar una presión positiva en el colector de admisión (es decir, superior a la presión atmosférica) a bajas revoluciones, lo que lo convierte en una opción popular para aplicaciones en automóviles de pasajeros. El par máximo se alcanza aproximadamente a las 2000 rpm. A diferencia de la ilustración básica, la mayoría de los compresores Roots modernos incorporan rotores de tres o cuatro lóbulos; esto permite que los lóbulos tengan una ligera torsión a lo largo de los ejes del rotor, lo que reduce las pulsaciones en la entrada y la salida (esto es impráctico con dos lóbulos, ya que incluso una ligera torsión podría abrir un paso libre a través del compresor en ciertos ángulos) .

El calor acumulado es una consideración importante en el funcionamiento de un compresor en un motor de combustión interna . De los tres tipos básicos de sobrealimentadores, el diseño Roots históricamente poseía la peor eficiencia térmica , especialmente a altas relaciones de presión. ^{[ 2 ] [ 3 ]} De acuerdo con la ley de los gases ideales , una operación de compresión aumentará la temperatura de la salida comprimida. Además, el funcionamiento del compresor en sí requiere un aporte de energía, que se convierte en calor y puede transferirse al gas a través de la carcasa del compresor, calentándolo aún más. Aunque los intercoolers son más conocidos por su uso en turbocompresores , los sobrealimentadores también pueden beneficiarse del uso de un intercooler. La combustión interna se basa en un ciclo termodinámico , y una temperatura más baja de la carga de admisión resulta en una mayor expansión termodinámica y viceversa. Una carga de admisión caliente provoca detonación en un motor de gasolina y puede fundir los pistones en un diésel, mientras que una etapa de interenfriamiento añade complejidad pero puede mejorar la potencia de salida al aumentar la cantidad de carga de entrada, exactamente como si el motor fuera de mayor cilindrada. Un intercooler reduce la eficiencia termodinámica al perder el calor (potencia) generado por la compresión, pero aumenta la potencia disponible debido al incremento de la masa de trabajo en cada ciclo. Por encima de aproximadamente 5 psi (35 kPa) , la mejora del intercooler puede ser drástica. En un compresor volumétrico tipo Roots , un método que se emplea con éxito consiste en añadir un intercambiador de calor delgado situado entre el compresor y el motor. El agua circula a través de él hacia una segunda unidad ubicada cerca de la parte delantera del vehículo, donde un ventilador y la corriente de aire ambiente disipan el calor acumulado.  

El diseño Roots se utilizaba comúnmente en motores diésel de dos tiempos (popularizados por las divisiones Detroit Diesel [camiones y autobuses] y Electro-Motive [ferrocarriles] de General Motors), que requieren algún tipo de sobrealimentación , ya que no existe una carrera de admisión independiente. El motor diésel de dos tiempos de Rootes Co. , utilizado en los vehículos Commer y Karrier , tenía un compresor tipo Roots; ambas compañías no están relacionadas.

Los sobrealimentadores utilizados en motores de alta potencia , coches de carreras de aceleración y otros dragsters , así como en hot rods , son en realidad derivados de los compresores de la División de Autos de General Motors para sus motores diésel industriales , que fueron adaptados para su uso en carreras de aceleración . El nombre del modelo de estas unidades indica su tamaño: los compresores 4-71 y 6-71, que alguna vez fueron comunes, fueron diseñados para los motores diésel de la serie 71. Los dragsters de competición actuales utilizan variantes de GMC del mercado de accesorios, similares en diseño a la serie 71, pero con el rotor y la carcasa más largos para mayor capacidad; los aficionados a los hot rods también utilizan réplicas del 6-71.

Los sopladores Roots se utilizan normalmente en aplicaciones donde se debe mover un gran volumen de aire a través de una diferencia de presión relativamente pequeña. Esto incluye aplicaciones de bajo vacío, donde el soplador Roots actúa solo o en combinación con otras bombas como parte de un sistema de alto vacío. Una aplicación industrial muy común es en sistemas de transporte neumático, ^{[ 4 ]} donde el soplador proporciona un gran volumen de aire para el movimiento de sólidos a granel a través de tuberías.

Algunas sirenas de defensa civil utilizaban sopladores Roots para bombear aire al rotor (chopper) y así aumentar drásticamente su potencia sonora en todo el rango de frecuencias. Las más conocidas son la serie Thunderbolt de Federal Signal y la Hurricane de ACA (ahora American Signal Corporation). Estas sirenas se conocen como "sirenas sobrealimentadas".

Los sopladores Roots también se utilizan a la inversa para medir el flujo de gases o líquidos, por ejemplo, en los contadores de gas .

Los compresores Roots se utilizaban para la presurización de cabinas en aeronaves, inicialmente investigados justo antes de la Segunda Guerra Mundial (utilizando el compresor Marshall ) y fabricados por empresas como Sir George Godfrey and Partners, que seguían suministrando cantidades cada vez mayores hasta la década de 1960; posteriormente fueron reemplazados por las purgas de aire de las etapas de compresión de los motores a reacción. ^{[ 5 ]}

La forma más simple de un compresor Roots tiene rotores cicloidales , construidos con secciones tangenciales alternas de curvas hipocicloidales y epicicloidales . En un rotor de dos lóbulos, los círculos generadores más pequeños tienen un cuarto del diámetro del más grande. Los compresores Roots más complejos pueden tener perfiles más elaborados para una mayor eficiencia. Los lóbulos de un rotor no impulsan al otro con una holgura mínima en todas las posiciones, por lo que un par de engranajes independiente se encarga de la sincronización de los lóbulos.

Debido a que las bombas de lóbulos rotativos necesitan mantener una separación entre los lóbulos, un compresor Roots de una sola etapa solo puede bombear gas con una diferencia de presión limitada. Si la bomba se utiliza más allá de sus especificaciones, la compresión del gas genera suficiente calor como para que los lóbulos se expandan hasta atascarse, dañando la bomba.

Las bombas Roots son capaces de bombear grandes volúmenes, pero, dado que solo alcanzan una compresión moderada, es común encontrar múltiples etapas de soplado Roots, frecuentemente con intercambiadores de calor ( intercoolers ) entre ellas para enfriar el gas. La ausencia de aceite en las superficies de bombeo permite que las bombas funcionen en entornos donde el control de la contaminación es importante. El alto caudal de bombeo de hidrocarburos permite que la bomba Roots proporcione un aislamiento efectivo entre las bombas lubricadas con aceite , como las bombas de compresión rotativa, y la cámara de vacío .

Una variante utiliza rotores con forma de garra para una mayor compresión.

El compresor Roots puede alcanzar una eficiencia de aproximadamente el 70% con una relación de presión máxima de dos. Se pueden lograr relaciones de presión más altas, pero con una eficiencia decreciente. Debido a que un compresor Roots bombea aire en pulsos discretos (a diferencia de un compresor de tornillo ), el ruido de pulsación y la turbulencia pueden transmitirse aguas abajo. Si no se gestionan adecuadamente (mediante la geometría de la tubería de salida) o no se tienen en cuenta (mediante el refuerzo estructural de los componentes aguas abajo), las pulsaciones resultantes pueden causar cavitación del fluido y/o daños en los componentes situados aguas abajo del compresor.

Para cualquier compresor Roots que funcione bajo ciertas condiciones, se ubicará un único punto en el mapa. Este punto ascenderá al aumentar la presión de sobrealimentación y se desplazará hacia la derecha al aumentar la velocidad del compresor. Se observa que, a velocidad moderada y baja presión de sobrealimentación, la eficiencia puede superar el 90 %. Este es el rango de operación para el que fueron diseñados originalmente los compresores Roots, y en él se desempeñan con gran eficacia.

La sobrealimentación se expresa en términos de relación de presión, que es la relación entre la presión absoluta del aire antes del soplador y la presión absoluta del aire después de la compresión. Si no hay sobrealimentación, la relación de presión será de 1,0 (es decir, 1:1), ya que la presión de salida es igual a la presión de entrada. Se marca una sobrealimentación de 15 psi como referencia (ligeramente superior a una relación de presión de 2,0 con respecto a la presión atmosférica). Con una sobrealimentación de 15 psi (100 kPa) , los sopladores Roots oscilan entre el 50 % y el 58 %. Reemplazar un soplador más pequeño por uno más grande desplaza el punto hacia la izquierda. En la mayoría de los casos, como muestra el mapa, esto lo moverá a zonas de mayor eficiencia a la izquierda, ya que es probable que el soplador más pequeño haya estado funcionando a alta velocidad a la derecha del gráfico. Por lo general, usar un soplador más grande y hacerlo funcionar a menor velocidad para lograr la misma sobrealimentación dará como resultado un aumento en la eficiencia del compresor.  

La eficiencia volumétrica del compresor Roots es muy buena, manteniéndose generalmente por encima del 90% salvo a las velocidades más bajas. Por ello, un compresor que funcione con baja eficiencia seguirá suministrando mecánicamente el volumen de aire deseado al motor, pero este aire estará más caliente. En las carreras de aceleración, donde se inyectan grandes volúmenes de combustible junto con ese aire caliente, la vaporización del combustible absorbe el calor. Esto funciona como una especie de sistema de postenfriamiento líquido y contribuye en gran medida a compensar la ineficiencia del diseño Roots en esta aplicación.

Los sopladores de lóbulos rotativos, comúnmente llamados compresores de refuerzo en aplicaciones de alto vacío, no se utilizan como bombas independientes. En aplicaciones de alto vacío, la velocidad de bombeo de estos compresores puede utilizarse para reducir la presión final y aumentar la velocidad de bombeo.

Ventiladores: Debido al bajo aumento de presión, los ventiladores se utilizan comúnmente para mover grandes cantidades de gas. Se emplean habitualmente para la circulación de aire en edificios, la ventilación de maquinaria, la refrigeración de equipos y otras aplicaciones industriales.

Los sopladores son capaces de generar un flujo de aire medio con niveles de presión moderados. Se utilizan en aplicaciones donde la presión requerida es mayor que la de los ventiladores.

Compresores Los compresores generan presiones de aire más altas en aplicaciones industriales, generalmente entre 8 y 12 bares, con caudales de aire menores.

El término "soplador" se usa comúnmente para definir un dispositivo instalado en motores que requiere un flujo de aire adicional mediante una conexión mecánica directa como fuente de energía. El término soplador también se usa para describir diferentes tipos de sobrealimentadores. Un sobrealimentador de tornillo , un sobrealimentador Roots y un sobrealimentador centrífugo son todos tipos de lo que comúnmente se describe como sopladores; sin embargo, existe una distinción entre un sobrealimentador Roots, que es un "soplador" de bomba de desplazamiento positivo sin reducción de volumen ni aumento de presión internos, y otros tipos de sobrealimentadores, como el Powerplus de paletas excéntricas y el Eaton de flujo axial, que tienen compresión interna y se describen más correctamente como sobrealimentadores.

Por el contrario, un turbocompresor , que utiliza la compresión de los gases de escape para hacer girar su turbina, y no una conexión mecánica directa, no se considera generalmente un "soplador", sino simplemente un "turbo".

• Carreras de aceleración , donde se utilizan supercargadores tipo Roots para los dragsters T/F Top Fuel , los funny cars F/C Fuel Coupe que usan combustible de nitrometano, los dragsters T/AD y los funny cars TA/FC que usan combustible de alcohol, y los Pro Modified que usan combustible de metanol en las clases profesionales de carreras de aceleración.