Compresor de tornillo rotativo

En un compresor sin aceite, el aire se comprime completamente mediante la acción de los tornillos, sin la ayuda de un sello de aceite. Por lo general, tienen una menor capacidad de presión máxima de descarga. Sin embargo, los compresores sin aceite multietapa, donde el aire se comprime mediante varios conjuntos de tornillos, pueden alcanzar presiones superiores a 150 psi (10 atm) y un volumen de salida superior a 2000 pies cúbicos por minuto (57 ^m³ / min) .   

Los compresores sin aceite se utilizan en aplicaciones donde el arrastre de aceite no es aceptable, como en la investigación médica y la fabricación de semiconductores. Sin embargo, esto no elimina la necesidad de filtración, ya que los hidrocarburos y otros contaminantes presentes en el aire ambiente también deben eliminarse antes de su uso. Por consiguiente, con frecuencia se requiere un tratamiento del aire idéntico al utilizado para un compresor de tornillo lubricado con aceite para garantizar la calidad del aire comprimido.

Algunos compresores de pistón pequeños utilizan el término "sin aceite" para referirse simplemente al uso de recubrimientos de tipo teflón en las superficies de desgaste.

En un compresor de tornillo rotativo con inyección de aceite, se inyecta aceite ^{[ 7 ]} en las cavidades de compresión para facilitar el sellado y proporcionar refrigeración a la carga de gas. El aceite se separa del flujo de descarga, se enfría, se filtra y se recicla. El aceite captura las partículas no polares del aire de entrada, reduciendo eficazmente la carga de partículas en la filtración de partículas del aire comprimido. Es habitual que una pequeña cantidad de aceite del compresor arrastrado pase al flujo de gas comprimido aguas abajo del compresor. En muchas aplicaciones, esto se corrige mediante recipientes coalescentes /filtros. ^{[ 8 ]} Los secadores de aire comprimido refrigerados con filtros coalescentes internos en frío están diseñados para eliminar más aceite y agua que los filtros coalescentes que se encuentran aguas abajo de los secadores de aire, porque después de que el aire se enfría y se elimina la humedad, el aire frío se utiliza para preenfriar el aire caliente de entrada, lo que calienta el aire de salida. En otras aplicaciones, esto se soluciona mediante el uso de depósitos receptores que reducen la velocidad local del aire comprimido, lo que permite que el aceite se condense, se separe de la corriente de aire y sea eliminado del sistema de aire comprimido mediante equipos de gestión de condensados.

Los compresores de tornillo inundados de aceite se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo compresión de aire, refrigeración de gas , procesamiento de hidrocarburos y aprovechamiento energético de fuentes de calor de baja temperatura. ^{[ 9 ]} Los tamaños varían desde pequeños compresores de aire para talleres hasta compresores industriales pesados ​​de 8400 kW (11 300 hp) con presiones de salida de hasta 60 bar (870 psi) . ^{[ 10 ]} Los nuevos compresores de aire de tornillo inundados de aceite liberan <5 mg/m³ de arrastre de aceite. ^{[ 11 ]}     

El compresor de tornillo cónico, desarrollado relativamente hace poco, es en esencia una extensión espiral cónica de un gerotor . Carece de la vía de fuga inherente en forma de "orificio" que, en los compresores de tornillo bien diseñados, provoca fugas significativas en el conjunto. Esto permite que rotores mucho más pequeños alcancen una eficiencia práctica, ya que, a menor tamaño, la zona de fuga no representa una porción tan grande de la zona de bombeo como en los compresores de tornillo rectos. Junto con la disminución del diámetro del rotor cónico, esto también permite relaciones de compresión mucho mayores en una sola etapa con menor pulsación de salida. ^{[ 17 ]}

En un sistema de control de arranque/parada, los controles del compresor activan relés para suministrar y retirar energía al motor según las necesidades de aire comprimido. En la mayoría de los casos, se requiere una capacidad de almacenamiento considerable si la carga es intermitente o no se ajusta bien al compresor; a menudo, la capacidad de almacenamiento necesaria será mayor que la del propio compresor.

En un esquema de control de carga/descarga, el compresor permanece alimentado continuamente. Sin embargo, cuando la demanda de aire comprimido se satisface o disminuye, en lugar de desconectar la alimentación, se activa una válvula deslizante . Esta válvula descubre parte del rotor y reduce proporcionalmente la capacidad de la máquina hasta un 25 % de la capacidad del compresor, descargándolo . Esto reduce el número de ciclos de arranque/parada de los motores eléctricos en comparación con un esquema de control de arranque/parada en compresores eléctricos, lo que mejora la vida útil del equipo con un cambio mínimo en el costo operativo. Cuando un esquema de control de carga/descarga se combina con un temporizador para detener el compresor después de un período predeterminado de funcionamiento continuo sin carga, se denomina esquema de doble control o de doble control automático. Este esquema de control aún requiere almacenamiento, ya que solo hay dos tasas de producción disponibles para ajustarse al consumo, aunque significativamente menos que un esquema de arranque/parada. La mayoría de los compresores de aire diésel utilizan este método.

En lugar de arrancar y parar el compresor, una válvula deslizante como la descrita anteriormente modula continuamente la capacidad según la demanda, en lugar de controlarla por etapas. Si bien esto proporciona una presión de descarga constante en un amplio rango de demanda, el consumo total de energía puede ser mayor que con un esquema de carga/descarga, lo que resulta en un consumo de energía de aproximadamente el 70 % del consumo a plena carga cuando el compresor está en reposo.

Debido a la limitada capacidad de ajuste del consumo de energía del compresor en relación con la capacidad de salida de aire comprimido, la modulación suele ser un método de control ineficiente en comparación con los variadores de velocidad. Sin embargo, para aplicaciones donde no es posible detener y reanudar con frecuencia el funcionamiento del compresor (como cuando un compresor es accionado por un motor de combustión interna y funciona sin un depósito de aire comprimido), la modulación resulta adecuada. Además, la tasa de producción continuamente variable elimina la necesidad de un almacenamiento considerable si la carga nunca supera la capacidad del compresor.

Utilizado por empresas de compresores como Quincy Compressor, Kobelco , Gardner Denver , Kaishan USA y Sullair , el desplazamiento variable altera el porcentaje de rotores del compresor de tornillo que trabajan para comprimir el aire, permitiendo que el flujo de aire evite partes de los tornillos. Si bien esto reduce el consumo de energía en comparación con un esquema de control de modulación, un sistema de carga/descarga puede ser más eficaz con grandes cantidades de almacenamiento (10 galones por CFM). Si una gran cantidad de almacenamiento no es práctica, un sistema de desplazamiento variable puede ser muy eficaz, especialmente a más del 70 % de la carga máxima. ^{[ 18 ]}

Una forma de lograr el desplazamiento variable es mediante el uso de múltiples válvulas de elevación en el lado de succión del compresor, cada una conectada a una ubicación correspondiente en la descarga. En los sobrealimentadores de automóviles, esto es análogo al funcionamiento de una válvula de derivación.

Si bien un compresor de aire accionado por un variador de velocidad puede ofrecer el menor costo de energía operativa sin una reducción apreciable en la vida útil en comparación con un compresor de carga/descarga con el mantenimiento adecuado, el inversor de potencia de frecuencia variable de un variador de velocidad generalmente agrega un costo significativo al diseño de dicho compresor, reduciendo sus beneficios económicos en comparación con un compresor de carga/descarga de tamaño adecuado si la demanda de aire es constante. Sin embargo, un variador de velocidad proporciona una relación casi lineal entre el consumo de energía del compresor y el suministro de aire libre, lo que permite una operación más eficiente en un rango muy amplio de demanda de aire. El compresor aún tendrá que entrar en modo de arranque/parada para una demanda muy baja, ya que la eficiencia sigue disminuyendo rápidamente a bajas tasas de producción debido a fugas en el rotor. En entornos adversos (calurosos, húmedos o polvorientos), la electrónica de los variadores de velocidad puede requerir protección para mantener la vida útil esperada. ^{[ 19 ]}

El compresor de tornillo rotativo presenta bajos niveles de fugas y bajas pérdidas parásitas en comparación con el tipo Roots. El sobrealimentador suele ser accionado directamente desde el cigüeñal del motor mediante una correa o engranajes. A diferencia del sobrealimentador tipo Roots , el de doble tornillo presenta compresión interna, que es la capacidad del dispositivo para comprimir el aire dentro de la carcasa a medida que se mueve a través del mismo, en lugar de depender de la resistencia al flujo aguas abajo de la descarga para generar un aumento de presión. ^{[ 21 ]}

La necesidad de técnicas de fabricación de alta precisión controladas por ordenador convierte al compresor de tornillo en una alternativa más costosa que otros sistemas de sobrealimentación disponibles. Con tecnologías más recientes, el coste de fabricación se ha reducido al tiempo que se ha incrementado el rendimiento.

Todos los tipos de sobrealimentadores se benefician del uso de un intercooler para reducir el calor producido durante el bombeo y la compresión.

Un claro ejemplo de la tecnología de doble tornillo aplicada por empresas como Ford , Mazda , Mercedes y Mercury Marine demuestra su eficacia. Si bien algunos compresores centrífugos son consistentes y fiables, generalmente no generan la máxima presión de sobrealimentación hasta cerca de las revoluciones máximas del motor, mientras que los compresores de desplazamiento positivo, como los de tipo Roots y los de doble tornillo, ofrecen una sobrealimentación más inmediata. Además, los compresores de doble tornillo mantienen una presión de sobrealimentación adecuada a altas revoluciones mejor que otros compresores de desplazamiento positivo.

El término «soplador» se usa comúnmente para definir un dispositivo instalado en motores que requieren un flujo de aire adicional, como un motor diésel de dos tiempos , donde se necesita presión de admisión positiva para «barrer» o eliminar los gases de escape del cilindro e introducir una carga de admisión fresca antes de la carrera de compresión. El término «soplador» también se aplica a compresores de tornillo rotativo, de tipo Roots y centrífugos cuando se utilizan como parte de un sistema de inducción forzada en automóviles . El término «soplador de cabina» ​​también se usa para la presurización de aeronaves para vuelos a gran altitud, que utilizaban compresores de tipo Roots, especialmente en la década de 1950 (véase compresor Marshall ).