Recalentamiento de Compresores
el problema más serio de aplicación hoy en día
Es irónico que en una industria cuya finalidad es enfriar y refrigerar, el problema más serio que se produce en el campo de la aplicación sea el recalentamiento del compresor. Veinte años atrás, golpes de líquido y retorno de líquido eran los problemas más serios, por lo que poco se dijo del recalentamiento del compresor, posiblemente porque es un problema difícil de diagnosticar.
Existen varias causas que producen el recalentamiento del motocompresor en un sistema, con un efecto común, fallas de lubricación con el consiguiente desgaste (menor vida útil) y posible destrucción del compresor. Nos ocuparemos esta vez de las causas principales que no implican falta de aceite, sino la pérdida de las cualidades lubricantes del aceite.
Estas son:
1) Altas temperaturas del gas de retorno a la entrada del
motocompresor.
2) Altas relaciones de compresión.
3) Presiones excesivas de succión o compresión.
4) Falta de circulación de aire por el exterior del
motocompresor.
Aunque estas fallas no son excluyentes (pueden darse algunas, o todas a la vez), el tipo de fallas mecánicas que producen son distintas.
A temperaturas del cilindro de 157 °C a 163°C la película lubricante es tan delgada que no evita el roce entre pistón y cilindro y los aceites modernos son tan resistentes a la descomposición que no se forma carbón sobre los platos de válvulas a estas temperaturas, en sistemas relativamente libres de contaminación (humedad, ácidos, etc.) Como resultado muchas fallas por altas temperaturas se diagnostican equivocadamente como fallas por golpes de líquido, porque el analista no se da cuenta de la aplicación.
Los datos sobre rendimiento de compresores son una fuente de continúa confusión en la industria. Con fines de proveer una base común de comparación, el rendimiento de los compresores y los datos de capacidad son publicados para condiciones comunes. En el caso de los compresores COPELAND para bajas temperaturas, los datos de rendimiento se presentan con una temperatura del gas de retorno de 65 (°F) (aprox 18° (°C).
Esa temperatura fue elegida muchos años atrás, probablemente por la conveniencia de ensayo más que por cualquier otro factor y en aquel tiempo puede haber representado una condición de operación aceptable para la mayoría de lo sistemas.
A través de los años la tendencia a compresores de mayor potencia, la demanda por temperaturas de evaporación más bajas y en particular el aumento en uso de múltiples compresores en un solo sistema, han aumentado enormemente los esfuerzos sobre los compresores.
Usuarios aún interpretan los datos de rendimiento con gas de retorno a 65 (°F) (18 (°C) como una recomendación que el compresor debería ser operado en esa condición. En el caso de sistemas de refrigeración pequeños con un solo compresor operando a presiones de succión moderadas, 65(°F) pueden ser aún aceptables, pero con equipos más grandes y más sofisticados se requieren temperaturas menores del gas de retorno, si el compresor ha de ser mantenido en límites de temperaturas aceptables.
Límites de temperatura
La mayoría de los aceites para compresores de refrigeración empiezan a descomponerse o a carbonizarse a una temperatura de 177 (°C) Ensayos en una atmósfera LIBRE DE CONTAMINATES pueden indicar una tolerancia razonable a temperaturas aún mayores, pero en el mundo real hay sistemas que tienen diferentes grados de contaminantes tales como aire y humedad. El límite de temperaturas que producen problemas se reduce drásticamente dependiendo del grado de contaminación.
Puede ocurrir un extremo desgaste de anillos y pistones a temperaturas de cilindro de 155 a 166 (°C) con poca carbonización del aceite. Hay evidencia creciente que los aceites de sistemas modernos de refrigeración han sido tan altamente refinados para obtener una buena solubilidad y altas temperaturas de descomposición que el aceite es incapaz de mantener una película lubricante a alta temperatura.
Las experiencias en terreno, en general parecen indicar que para una larga vida útil, las temperaturas de pistones, anillos y orificios de las válvulas de descarga deben ser mantenidas bajo los 149 (°C) .
Normalmente la temperatura en la línea de descarga a distancias no mayores a 6 (15 centímetros) de la descarga del compresor tiende a ser 28 a 42 (°C) más baja que la temperatura del cilindro y del pistón, dependiendo del diseño del compresor y el flujo de refrigerante.
Por lo anterior, como regla general, 135 (°C) de temperatura en la línea de descarga representa una temperatura que produce posibilidades de fallas: 121 (°C) es un nivel de temperatura peligrosa y 107 (°C) o menos son deseables para una vida esperada razonable del compresor.
Hay diferentes opiniones en la industria sobre las temperaturas del aceite en el cárter. La viscosidad de los aceites usados en refrigeración disminuye rápidamente cuando aumenta la temperatura y se hace peligrosamente baja a temperaturas de 93 (°C) y más a altas temperaturas las características del aceite son críticas, pueden necesitarse aditivos y los descansos tienen que ser capaces de resistir esas condiciones. Bajas temperaturas en general conducen a más larga vida del compresor.
Aplicaciones a baja temperatura con R502
Pocos usuarios comprenden la naturaleza crítica de refrigeración de una sola etapa a baja temperatura. Cuando un usuario exige un nivel de temperatura muy bajo, piensa solamente en satisfacer su requerimiento de temperatura y no se da cuenta que su demanda es casi seguro una sentencia de muerte para el compresor. El límite normal para compresores de baja temperatura de una sola etapa, es de -40 (°C) y aunque el compresor pueda llegar por períodos intermitentes de operación a -46 (°C), operaciones debajo de esta temperatura (Equivalente a 0 psig con R502) genera temperaturas de descarga que pueden destruir al compresor.
A temperaturas de succión muy bajas la densidad decreciente del vapor refrigerante y el efecto de calentamiento por efecto de altas relaciones de compresión combinadas, crean una elevada temperatura de descarga que no puede ser controlada por enfriamiento con el mismo refrigerante. La transferencia de calor adicional obtenida con una corriente de aire directa sobre el compresor es absolutamente esencial para la sobrevivencia del mismo y cualquier disminución de la cantidad de aire recomendada o pérdida del impacto directo del aire en el compresor, pueden llevar a temperaturas excesivas en el cilindro.
De la misma manera el instalador que por cualquier razón hace ciclar el ventilador que provee enfriamiento al compresor, o localizar el compresor en forma tal que lo saca fuera de la corriente de aire que da la ventilación adecuada, no puede adjudicar directamente al compresor una falla que el mismo ha producido sin darse cuenta, produciendo la condición crítica de alta temperatura. Esto es muy importante en los motocompresores COPELAND enfriados por aire, pero también en los enfriados por refrigerante que operan bajo -17.8 (°C) (0 °F).
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Tabla 1. |
Las condiciones de temperatura exigidas hoy en día a un compresor de baja temperatura pueden llevarlo a operar en el límite de su sobrevivencia. Cuanto más baja la temperatura de evaporación y más alta la temperatura de condensación, tanto más crítica se hace la temperatura de descarga. La única forma de asegurarse temperaturas razonables de descarga en condiciones extremas es por intermedio de temperaturas muy bajas del gas de succión.
La tabla 1 ilustra sobre temperaturas típicas internas en compresores de baja temperatura con gas de succión retornando a 18 (°C), una condición de trabajo frecuente. Las temperaturas en el cilindro han sido calculadas basándose en un aumento de 42 (°C) en el gas de retorno, después de entrar al compresor y antes de entrar al cilindro en el recorrido de succión. El aumento de 42 (°C) de temperatura es típico de las condiciones encontradas en ensayos de laboratorio y es causada por la transferencia de calor del motor y cuerpo del compresor. Las temperaturas de evaporación y condensación son las temperaturas de saturación a la presión de succión y descarga respectivamente. La columna final en la tabla es la temperatura del gas de retorno entrando al compresor, que sería necesaria para mantener una temperatura interna en el cilindro por debajo de los 149 (°C).
Sin discusión alguna, con el desgaste natural por la operación, las condiciones de temperatura se hacen aún más severas. Los datos de la tabla 1 han sido calculados en base a ensayos en el laboratorio y aunque las instalaciones varían, la meta debería ser mantener temperaturas en la línea de descarga a 15 (Cm) de la salida del compresor por debajo de 107 (°C).
Debido al peligro de congelación en instalaciones subterráneas y sudado en las salas de máquinas, no se puede tener temperaturas bajas en el gas de retorno en un supermercado típico con líneas de succión sin aislar. La evidencia creciente de fallas en sistemas de baja temperatura por recalentamiento indica que hace falta un cambio mayor en el diseño para aumentar al durabilidad del sistema.
La necesidad de aislar completamente las líneas de succión en sistemas de baja temperatura, sobre todo en sistemas de 7 ½ (HP) y mayores. Está claramente indicada y es altamente recomendada para mejorar la vida del compresor y su confiabilidad.
En las aplicaciones de refrigeración a baja temperatura de una sola etapa, se pueden producir altas relaciones de compresión y aunque la temperatura de descarga se mantenga en valores adecuados por buena transmisión de calor al ambiente, es posible que los pasadores de los pistones, las bielas y/o los pistones fallen por desgaste.
No existe un límite claro de relación de compresión adecuada, se acepta generalmente que no se debería sobrepasar relaciones de 12 a 1 sin embargo se puede subir a relaciones de compresión de 15 a 1 por intervalos razonables de tiempo. Para la línea Copelaweld, no se debería sobrepasar valores de 7,5 a 1.
Mientras se comprime el gas en el cilindro, éste aumenta su densidad y temperatura permaneciendo en el espacio muerto entre el pistón y la caja de válvulas y se reexpande presionando sobre el pistón hasta que la válvula de succión abre. Durante la mayor parte del recorrido del pistón, el gas lo presiona contra el pasador evitando que se lubrique adecuadamente, durante casi 330 grados de giro del cigüeñal, causando el ovalado de la biela y eventualmente desgastando el pistón que adquiere mayor juego.
Se podría aumentar la superficie del pasador para disminuir el desgaste, pero la única manera de asegurar una larga vida útil de estas piezas es reduciendo las relaciones de compresión a límites adecuados.
Fallas de este tipo ocurren generalmente cuando se quema un motor del condensador por operar con poca carga de refrigerante por pérdidas, o comúnmente por operar a presiones de succión excesivamente bajas. Cuando se regula un presostato de baja presión, hay que estar conciente de cuál es el límite de operación del compresor, recomendado por el fabricante, ese límite se puede sobrepasar sólo por cortos períodos de tiempo.
La tabla 2 ilustra distintas relaciones de compresión para distintas temperaturas de condensación y evaporación. Se deduce de ella, que es imposible evitar relaciones de compresión altas en malas condiciones de condensación donde se requiere baja temperatura como en supermercados.
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Tabla 2. Relaciones de comprensión tipicas de R-5
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Presiones excesivas tanto de succión como de descarga, producen esfuerzos extremos sobre bielas, cigüeñal y descansos. El patrón de desgaste es distinto que el caso anterior pues afecta un mayor número de piezas y no se produce un desgaste homogéneo puesto que los mayores esfuerzos ocurren en giros del cigüeñal menores de 180 grados.
Aplicaciones a mediana temperatura con R-22
Una condición de temperatura igualmente crítica puede ocurrir en sistemas de mediana temperatura con R22 con temperaturas de evaporación por debajo de -12(°C). Debido a sus pobres características de temperaturas R22 no se usa actualmente como refrigerante para sistemas de baja temperatura y si hay que obtener temperaturas de evaporación por debajo de -12 (°C). Desafortunadamente muchos sistemas de refrigeración de mediana temperatura con R22 diseñados para una presión nominal de evaporación equivalente a -15 a -12 (°C) terminan operando a presiones de succión equivalente a temperaturas de evaporación de 23.3 (°C) o más bajo y estas instalaciones pueden presentar serios problemas. Nótese que es la presión de succión en la entrada del compresor la que es crítica y no la temperatura de evaporación en el evaporador, ya que en muchas instancias la amenaza es causada por la pérdida de presión entre el evaporador y el compresor.
La tabla 3 ilustra algunas temperaturas internas típicas en la aplicación a mediana temperatura con R22. Como en el caso del R502 las temperaturas en el cilindro han sido calculadas basándose en 42 (°C) de aumento de temperatura en el gas de retorno después de entrar al compresor y antes de entrar al cilindro.
Válvulas de expansión para disminuir el sobrecalentamiento
En sistemas existentes con líneas de succión sin aislar donde puede no ser posible cambiar las condiciones de operación del sistema, la única forma de reducir la temperatura de descarga a un nivel aceptable es usar una válvula de expansión termostática para reducir el sobrecalentamiento.
Ensayos extensivos en instalaciones revelaron que las temperaturas de descarga podrían reducirse casi grado por grado al reducir la temperatura del gas de aspiración. Reiteradamente hemos encontrado sistemas operando con temperaturas de 121 a 127 (°C) de descarga y 16 (°C) de gas de retorno que se podría modificar con una válvula de expansión para reducir el sobrecalentamiento, para obtener temperaturas de descarga por debajo de los 107 (°C) con gas de retorno a -1 (°C).
Las válvulas termostáticas de reducción de sobrecalentamiento fueron instaladas entre 3’ a 6’ (91 a 183 (Cm) ) de la válvula de succión del compresor con la línea de succión aislada desde la válvula de expansión a la entrada del compresor. Inicialmente se probó con válvulas de ½ tonelada pero se tuvieron mejores resultados con válvulas nominales de 1 tonelada con compresores en el rango de 7 ½ a 25 (HP). Se experimentaron varias cargas de válvulas, pero se obtuvo una operación satisfactoria solamente con las siguientes:
SPORLAN GR-1-L1
ALCO LCL2E-I E
Si las líneas de aspiración pueden ser aisladas, las válvulas para reducir el sobrecalentamiento no son necesarias, pero ellas ofrecen una forma de reducir las temperaturas en sistemas donde esa posibilidad no se presenta.
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Tabla 3.
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Intercambiadores de calor de líquido de succión
Intercambiadores de este tipo en sistemas de refrigeración son convenientes para: aumentar la temperatura del gas de retorno evitando congelación o condensación; para evaporar gotas de líquido en la corriente del vapor refrigerante y para subenfriar el líquido, previniendo la formación de gas en la línea de líquido.
Si el calor absorbido por el vapor en el intercambiador evita que éste se absorba del ambiente y otros espacios no refrigerados, hay un aumento de capacidad y por eso en sistemas con líneas de succión no aisladas generalmente hay un aumento de capacidad al instalarlos, pero la mera transferencia de calor del líquido al gas de succión de por sí no agrega ningún aumento SIGNIFICATIVO en la capacidad o eficiencia del sistema. Mientras la entalpía del líquido es disminuida, en consecuencia aumenta el cambio de entalpía por unidad de masa de refrigerante en el evaporador, el vapor del refrigerante más caliente en la succión tiene un volumen específico mayor (pies cúbicos por libra masa o metros cúbicos por kilo masa), a tal punto que la capacidad de bombeo del compresor será disminuida. Estos dos efectos de disminución de entalpía de líquido y el mayor volumen específico del vapor, se cancelan entre sí. Además si el refrigerante en la línea de líquido pierde temperatura en su trayecto, difícilmente se puede medir el efecto.
Con líneas de succión aisladas el intercambiador de calor no sólo pierde el beneficio de aumentar la capacidad, sino que puede ser en realidad una AMENAZA, si aumenta la temperatura del gas de retorno en forma excesiva. En particular intercambiadores de calor de líquido a succión ubicadas en salas de máquinas cerca del compresor pueden actualmente contribuir a la falla de éste si elevan la temperatura del gas de retorno más allá de límites aceptables. Por ello, antes de usar un intercambiador de calor hay que analizar las condiciones de trabajo del sistema para no aumentar excesivamente la temperatura del gas de retorno, especialmente cuando se opera con R22.
