Compresor de tornillo y volumen variable

Hasta hace poco, el compresor de tornillo tenía la desventaja de una relación de volumen integrado fijo. No era que no existiese una solución mejor: las ideas de la relación de volumen variable han estado rondando desde hace un tiempo. Pero sólo recientemente el costo agregado de esa característica se pudo recuperar en costos de funcionamiento. El motivo de este cambio, por supuesto, es el creciente costo de la energía.

Antes de entrar en una explicación de la relación de volumen variable, examinemos la configuración de la descarga de la válvula de corredera convencional en un compresor de tornillo doble y en uno de un solo tornillo. El principio de funcionamiento de los dos tipos de compresor es el mismo, aunque el compresor de un solo tornillo tiene dos válvulas de corredera, una por cada lado de la máquina mientras que el doble tornillo tiene solo una y debajo de los tornillos.

Consulte las figuras 1, 2 y 3 para la explicación que sigue. En ambos casos, las válvulas de corredera se encuentran en la caja o la carcasa principal, formando una parte del orificio del rotor o del tornillo. La descarga se logra moviendo la válvula de corredera hacia el puerto de descarga de la máquina, que abre la hélice nuevamente al puerto de succión. Esto permite que una parte del gas que se comprime se desvíe de regreso a la succión, bajando así la capacidad.

El grado de reducción de la capacidad depende de cuánto se abre las hélices a la succión. Además de desviar el vapor de regreso a la succión, el movimiento de la válvula de corredera hace varias cosas:

1.Cambia el punto en el cual comienza el proceso de compresión o inicio de compresión. El volumen de succión se reduce porque la longitud del tornillo lleno de gas es menor. La compresión no se produce hasta que las hélices pasen mas allá de los rotores (o el tornillo) girando más allá del extremo de succión de la válvula de corredera y el puerto de descarga. La figura 3b muestra esta reducción del volumen de succión de V1 a índice de volumen.

2.Cambia el punto en el cual comienza el proceso de descarga o inicio de descarga. Esto se evidencia por el hecho de que la válvula de corredera forma una parte del puerto de descarga.

El proceso de descarga, como se describió antes, es sólo parcialmente efectivo para mantener la relación de volumen. En algún punto del ciclo de descarga, el puerto de descarga móvil desaparece (se mueve más allá del extremo de los rotores (o tornillo). Como ya no existe una descarga radial, el gas debe salir axialmente a través de un puerto fijo. En un compresor de doble tornillo, el puerto fijo se encuentra en la cara del extremo axial, Como se observa en la figura 1.



En un compresor de un solo tornillo, se encuentra justo debajo de la válvula de corredera, como se muestra en la figura 2.



Durante el ciclo de descarga, apenas el puerto de descarga móvil se mueve más allá del puerto fijo, la relación de volumen integrado comienza a caer. El resultado neto es el funcionamiento ineficiente con carga parcial. La figura 3 ilustra esto mediante diagramas P-V. Dependiendo del diseño de la válvula de corredera, la relación de volumen comienza a caer al 50% de la capacidad para un equipo con índice de volumen de 2,6, al 70% para un equipo con índice de volumen de 3,6 y de inmediato (100%) para un equipo con índice de volumen de 5,0.

De modo que puede verse que el control de la relación de volumen con carga parcial resulta en una importante mejora de la eficiencia de funcionamiento con carga parcial. Ahora veamos la tecnología actual para compresores de doble tornillo con volumen variable. Esto se logra agregando otra válvula de corredera en el extremo de succión de la válvula de corredera convencional (ver la figura 4).



Esta configuración de extremo a extremo de las válvulas de corredera se puede denominar una configuración en serie. Para el funcionamiento con carga plena, las dos válvulas de corredera se mueven juntas como una unidad para controlar la relación de queda atrapado dentro de las hélices del tornillo antes de permitirle salir.

El movimiento de las válvulas de corredera hacia atrás y hacia adelante en respuesta a las condiciones de funcionamiento controla efectivamente la relación de volumen. Para una aplicación que funciona con presiones que no son las condiciones ideales del diseño, el ahorro en costos de funcionamiento se muestra en la figura 2 del capítulo 1.

Puede verse que el control de la relación de volumen con carga plena ahorra del 1 al 2% en los que en el sistema convencional. Puede sostenerse que el movimiento de la válvula de corredera de succión hacia la descarga aumenta la relación de volumen. Esto también aumenta las pérdidas asociadas con succión aumentando. Nuestras pruebas muestran una pérdida importante de eficiencia con una velocidad alta a través del puerto que con velocidades más altas y caídas de presión a través del puerto de descarga.

Al acercar más el lado de la succión al extremo de descarga se eleva la presión del surco antes de que se desvíe a la costos de funcionamiento al ajustarse a las variaciones normales en la presión de cabeza debido a las condiciones ambientales cambiantes. Sin embargo, con carga parcial este sistema deja de ser más eficiente que un sistema de válvulas de corredera convencional.

El motivo de esto es que el extremo de succión de la válvula de corredera de descarga (leyenda B en la figura 4) controla el grado de descarga del compresor. Apenas el compresor comienza la descarga, la relación de volumen se mantiene igual en volumen. La mayor extensión de las dos válvulas de corredera hacia la descarga del compresor prolonga el tiempo que el gas descarga. El resultado de todo esto es que, con la válvula de corredera de descarga y de succión organizadas en serie, sólo es posible muy poco (o ningún) ahorro de energía funcionando con carga parcial.

Esto nos lleva a la característica de relación de volumen variable patentada por Vilter PARALLEX TM para el compresor de un solo tornillo. Este diseño usa una configuración de válvulas de corredera lado a lado o paralela (ver la figura 5) para un total de 4, dos a cada lado. La ventaja de esta configuración es que el tamaño del puerto de descarga (y por lo tanto el índice de volumen) es completamente independiente del control de la capacidad.

Para el funcionamiento con carga plena, no hay diferencia en la eficiencia en comparación con la configuración en serie. La válvula de corredera de relación de volumen se ubica simplemente para mantener la relación de volumen correcta. Para el funcionamiento con carga parcial, la válvula de corredera de descarga se ubica para mantener la capacidad deseada mientras que la de relación de volumen se ubica para mantener la relación de volumen correcta.

Esto quiere decir que la relación de volumen hace coincidir con precisión con las condiciones de funcionamiento tanto para la carga parcial como para la carga plena. Además, se ha ajustado el tamaño del puerto de descarga fijo de modo que el índice de volumen se controla hasta el 30% de la capacidad con carga plena con un índice de volumen de 3,6. El control de la relación de volumen para el funcionamiento con carga parcial le proporciona a la configuración paralela de las válvulas de corredera una ventaja evidente sobre la configuración en serie.

Otro punto de descarga que debe mencionarse (exclusivo del compresor de un solo tornillo) es la ubicación de descarga simétrica opuesta a 180 grados. Este método aprovecha dos áreas de compresión independientes del compresor de un solo tornillo. Como cada lado requiere una válvula de corredera, el compresor puede descargarse de manera simultánea pero a los lados. El resultado es un rendimiento igual a un compresor convencional con válvulas de corredera simple pero con el efecto de balancear las fuerzas y eliminar tanto ruido como vibración del compresor. De este modo, un mejor control de la relación de volumen mejora la eficiencia, elimina los ruidos y vibraciones  en comparación a una descarga axial y guía simple.

La figura 6 proporciona una comparación del rendimiento entre las diversas configuraciones de válvulas de corredera. Del 100% hasta el 50% de la capacidad, la configuración en paralelo de las válvulas de corredera ahorra del 2 al 3% con respecto a una configuración convencional y una en serie de dichas válvulas. Por debajo del 50% de capacidad, el ahorro es muy superior. Si se traduce esto en dólares ahorrados para un compresor de 600 ft3/min que extrae 250 BHP a carga plena y a 7¢/kWh, el ahorro en costos de funcionamiento es de $3430/año. Este ahorro se basa en el supuesto de ciclos de funcionamiento con carga plena y con carga parcial de la siguiente manera:

- 20% de capacidad      20% del tiempo
- 60% de capacidad      40% del tiempo
- 100% de capacidad    40% del tiempo

Así puede verse que, para obtener la mejor eficiencia posible del compresor de tornillo, el control de la relación de volumen es muy importante la configuración de válvulas de corredera en paralelo para la relación de volumen variable tiene una clara ventaja sobre otros métodos por el ahorro de energía para el funcionamiento con carga parcial.