¿Qué hace el compresor en un sistema de refrigeración?

El compresor es el corazón de cualquier sistema de refrigeración. Su trabajo principal es comprimir vapor de refrigerante de baja presión en vapor de alta presión y alta temperatura , que luego fluye hacia el unidad de condensación donde el calor se rechaza al ambiente circundante. Sin un compresor que funcione, todo el ciclo de refrigeración se detiene: no hay enfriamiento, no hay transferencia de calor, no hay control de temperatura.

En términos prácticos, el compresor actúa como la bomba que mantiene el refrigerante circulando a través del sistema. Toma el vapor a baja presión que regresa del evaporador, aumenta significativamente su presión y temperatura y lo empuja hacia el serpentín del condensador dentro de la unidad de condensación. Esta diferencia de presión es lo que impulsa el movimiento del refrigerante y permite que todo el ciclo termodinámico funcione de forma continua.

Cómo encaja el compresor en el ciclo de refrigeración completo

La refrigeración funciona en un ciclo de compresión de vapor que involucra cuatro componentes clave: el compresor, el condensador, la válvula de expansión y el evaporador. Cada uno desempeña un papel distinto, pero el compresor inicia y mantiene el ciclo creando el diferencial de presión del que depende todo lo demás.

Así es como el ciclo fluye paso a paso:

1. El refrigerante ingresa al evaporador como un líquido a baja presión y absorbe el calor del espacio refrigerado, evaporándose hasta convertirse en vapor.
2. Este vapor de baja presión viaja al compresor, que lo comprime, elevando dramáticamente tanto la presión como la temperatura.
3. El vapor caliente a alta presión ingresa a la unidad de condensación, donde el serpentín del condensador y el ventilador rechazan el calor al aire exterior, lo que hace que el refrigerante se condense nuevamente en líquido.
4. El líquido a alta presión pasa a través de la válvula de expansión, disminuyendo la presión y la temperatura antes de ingresar nuevamente al evaporador.

El compresor es el único componente de este circuito que agrega energía al refrigerante. Cada dos etapas transfiere calor de forma pasiva o utiliza mecánica de presión. Es por eso que la eficiencia del compresor determina directamente el consumo total de energía de todo el sistema.

Lo que realmente le hace el compresor al refrigerante

Cuando el vapor de refrigerante ingresa al compresor a la presión de succión, generalmente entre 10 PSI y 70 PSI Dependiendo del tipo de refrigerante y la aplicación, el compresor reduce mecánicamente el volumen de ese vapor. Según las leyes de los gases, reducir el volumen manteniendo constante la masa aumenta la presión. El compresor eleva la presión de descarga a cualquier lugar desde 100 PSI a más de 400 PSI en aplicaciones de alta temperatura.

Junto con la presión, la temperatura aumenta bruscamente. Un vapor de refrigerante que ingresa al compresor a quizás 20 °F (-7 °C) puede salir a temperaturas de descarga superiores a 150 °F (65 °C) o más. Este vapor caliente y presurizado es exactamente lo que la unidad condensadora necesita para liberar calor de manera efectiva al aire ambiente.

Por eso la relación entre el compresor y la unidad condensadora es inseparable. La unidad de condensación, que alberga el compresor, el serpentín del condensador, el ventilador del condensador y los controles asociados, depende del compresor para suministrar refrigerante a la presión y temperatura adecuadas para que la condensación se produzca de manera eficiente.

Tipos de compresores utilizados en sistemas de refrigeración

No todos los compresores funcionan de la misma manera. El tipo utilizado en una unidad condensadora afecta significativamente el rendimiento, el nivel de ruido, los requisitos de mantenimiento y la idoneidad de la aplicación.

Compresores alternativos

Estos utilizan pistones impulsados por un cigüeñal para comprimir el refrigerante. Son muy versátiles y manejan una amplia gama de presiones y refrigerantes. Común en unidades de condensación de refrigeración comercial de 1 CV a 15 CV , los compresores alternativos son duraderos pero pueden ser ruidosos y requerir un mantenimiento periódico de las válvulas.

Compresores Desplazarse

Los compresores scroll utilizan dos espirales entrelazadas en forma de espiral para comprimir el refrigerante. Una espiral permanece estacionaria mientras la otra orbita, reduciendo progresivamente el volumen de gas. Son más silenciosos, más eficientes y tienen menos piezas móviles que los de tipo alternativo. La mayoría de las unidades de condensación residenciales y comerciales ligeras modernas utilizan compresores scroll. Las calificaciones de eficiencia (EER) para los sistemas basados en scroll suelen ser 10-15% más alto que los modelos alternativos equivalentes.

Compresores rotativos

Los compresores rotativos utilizan un pistón rodante dentro de un cilindro para comprimir el refrigerante. Son compactos, livianos y se encuentran comúnmente en pequeñas unidades de refrigeración y aires acondicionados de ventana. Su diseño simple da como resultado una baja vibración y un funcionamiento silencioso, aunque son más adecuados para aplicaciones de menor capacidad bajo 2 CV .

Compresores de tornillo

Los compresores de tornillo utilizan rotores helicoidales gemelos para comprimir el refrigerante de forma continua. Están diseñados para grandes aplicaciones de refrigeración comercial e industrial, que normalmente van desde 20 HP a varios cientos de HP . Los compresores de tornillo, que se encuentran en grandes unidades de condensación utilizadas en almacenes frigoríficos, plantas de procesamiento de alimentos y enfriadores industriales, ofrecen un rendimiento constante y pueden modularse fácilmente su capacidad.

Compresores centrífugos

Utilizados en sistemas de refrigeración a muy gran escala, los compresores centrífugos se basan en impulsores giratorios de alta velocidad para acelerar el vapor refrigerante y convertir la velocidad en presión. Son más eficientes con cargas elevadas y normalmente se utilizan en sistemas que exceden 200 toneladas de capacidad de refrigeración .

El papel del compresor dentro de la unidad condensadora

Una unidad de condensación es un conjunto autónomo que normalmente incluye el compresor, el serpentín del condensador, el motor del ventilador del condensador, las aspas del ventilador, las líneas de refrigerante, los controles eléctricos y un gabinete protector. El compresor está montado dentro de esta unidad, normalmente en la base, y es el componente que más energía eléctrica consume.

En una unidad condensadora enfriada por aire estándar, el compresor presuriza el refrigerante y lo envía directamente al serpentín del condensador, que está colocado de manera que el ventilador del condensador pueda aspirar o empujar aire ambiente a través de él. La eficiencia del rechazo de calor en el serpentín del condensador depende directamente de que el compresor entregue refrigerante a la presión de descarga correcta.

Si el compresor tiene un rendimiento deficiente (debido a placas de válvulas desgastadas, fugas de refrigerante o fallas eléctricas), la unidad de condensación en su conjunto pierde su capacidad de rechazar el calor de manera adecuada. Esto hace que la temperatura de condensación saturada del sistema aumente, aumentando la presión de cabeza, reduciendo la eficiencia y, finalmente, provocando el bloqueo del sistema en los controles de seguridad de alta presión.

El compresor representa aproximadamente entre el 70% y el 90% de la energía eléctrica total consumida por una unidad condensadora. durante el funcionamiento normal. Esto lo convierte en el componente más importante a mantener y proteger.

Cómo el rendimiento del compresor afecta la eficiencia del sistema

La eficiencia del compresor se mide mediante el coeficiente de rendimiento (COP) y el índice de eficiencia energética (EER). Un COP más alto significa más potencia de refrigeración por unidad de energía eléctrica consumida. Los compresores scroll modernos de alta eficiencia utilizados en unidades de condensación comerciales pueden alcanzar COP de 3,5 a 5,0 , lo que significa que entregan de 3,5 a 5 unidades de energía de refrigeración por cada unidad de entrada de energía eléctrica.

Varios factores afectan la eficiencia con la que el compresor hace su trabajo:

• Relación de compresión: La relación entre la presión de descarga y la presión de succión. Relaciones más altas significan que el compresor trabaja más y consume más energía. Mantener bajas las temperaturas de condensación (manteniendo los serpentines del condensador limpios) reduce la relación de compresión y mejora la eficiencia.
• Sobrecalentamiento de succión: El refrigerante que ingresa al compresor debe estar ligeramente sobrecalentado (5 a 10 °F / 3 a 6 °C por encima de la temperatura del vapor saturado) para evitar que el líquido se acumule, lo que puede destruir los componentes de la válvula.
• Temperatura ambiente: A medida que aumenta la temperatura exterior, la unidad de condensación debe funcionar en contra de un ambiente más alto, lo que aumenta la presión de cabeza y reduce la eficiencia del compresor. A una temperatura ambiente de 95 °F (35 °C), una unidad condensadora típica puede consumir 15-25% más energía que a 70°F (21°C).
• Carga de refrigerante: Un sistema sobrecargado o insuficiente obliga al compresor a funcionar fuera de su rango de presión diseñado, lo que reduce la eficiencia y corre el riesgo de sufrir daños mecánicos.
• Eficiencia del motor: Los compresores de velocidad variable (accionados por inversor) pueden modular la capacidad desde tan solo un 20% hasta un 100%, satisfaciendo la demanda de carga real y evitando el desperdicio de energía de los ciclos de encendido/apagado.

Problemas comunes del compresor y lo que significan para el sistema

Cuando el compresor presenta problemas, los síntomas suelen aparecer en todo el sistema de refrigeración, no sólo en el compresor mismo. Comprender estos modos de falla ayuda a diagnosticar problemas antes de que provoquen el quemado total del compresor, que es una de las reparaciones más costosas en cualquier unidad condensadora.

Fallo de la válvula

En los compresores alternativos, las válvulas de succión y descarga pueden agrietarse o deformarse debido al golpe de líquido o al envejecimiento. Una válvula defectuosa reduce la capacidad del compresor para mantener la presión diferencial, lo que resulta en baja presión de descarga y mala capacidad de enfriamiento a pesar de que el compresor esté funcionando. El consumo de amperaje normalmente cae por debajo del valor nominal de la placa de identificación.

Quemado eléctrico

Las fallas en los devanados ocurren cuando el aislamiento del motor se rompe debido a sobrecalentamiento, desequilibrio de voltaje o contaminación por humedad. Un compresor quemado libera ácido en el circuito de refrigerante, que debe eliminarse con filtros secadores de la línea de succión antes de instalar un reemplazo. El desgaste eléctrico representa una parte importante de las fallas de los compresores, según sugieren los datos de la industria hasta el 30-40% de las fallas del compresor tener un origen eléctrico.

Golpe de líquido

Si el refrigerante líquido o el aceite ingresan a la cámara de compresión del compresor, no se pueden comprimir (los líquidos son incompresibles) y el choque hidráulico resultante puede agrietar los pistones, doblar las bielas o dañar las envolturas espirales. Esto sucede cuando el sistema está sobrecargado, la válvula de expansión no se abre o el evaporador se enfría demasiado y el refrigerante regresa al compresor durante el ciclo de apagado.

sobrecalentamiento

Los compresores dependen del vapor de refrigerante que regresa para alejar el calor de los devanados del motor. Si el recalentamiento de la línea de succión es demasiado alto, digamos, arriba 65°F (36°C) en la entrada del compresor: el refrigerante no es lo suficientemente denso para enfriar el motor de manera efectiva, lo que provoca un sobrecalentamiento y una eventual falla del devanado. Esto a menudo se debe a líneas de succión de tamaño insuficiente, carga excesiva del sistema o carga baja de refrigerante.

Desgaste de rodamientos

Los compresores lubricados con aceite dependen de una circulación adecuada del aceite para mantener lubricados los cojinetes. Una carga baja de refrigerante, una migración de refrigerante que diluye el aceite o una viscosidad de aceite incorrecta pueden provocar un desgaste acelerado de los rodamientos. El resultado es un aumento del ruido mecánico (sonidos de golpes o chirridos provenientes de la unidad condensadora) y un eventual agarrotamiento mecánico.

Protección del compresor: prácticas de mantenimiento que importan

Debido a que el compresor es el componente más crítico y típicamente el más costoso de una unidad de condensación, es esencial protegerlo mediante un mantenimiento y una gestión del sistema adecuados. Las siguientes prácticas extienden directamente la vida útil del compresor.

• Mantenga limpios los serpentines del condensador: Los serpentines sucios en la unidad de condensación aumentan la presión del cabezal, lo que obliga al compresor a trabajar más. Las bobinas deben limpiarse al menos dos veces al año en aplicaciones comerciales, más a menudo en ambientes polvorientos o con muchos desechos. un Un aumento de 10°F (6°C) en la temperatura de condensación puede reducir la eficiencia del compresor entre un 5% y un 8% y acortar la vida útil.
• Mantenga la carga de refrigerante correcta: Verifique y verifique la carga de refrigerante mediante mediciones de subenfriamiento y sobrecalentamiento. Un recargo inferior a sólo 10% puede reducir la capacidad del sistema en un 20 % y provocar el sobrecalentamiento del compresor.
• Monitoree las presiones de operación regularmente: Las presiones anormales de succión o descarga son indicadores tempranos de problemas en desarrollo. Registre las presiones durante cada visita de servicio y compare las tendencias a lo largo del tiempo.
• Verificar la calidad del suministro eléctrico: Desequilibrio de tensión de más de 2% entre fases en un compresor trifásico puede causar un desequilibrio de corriente de hasta 10 veces ese porcentaje, aumentando significativamente el calor del motor y acortando la vida útil del aislamiento del devanado.
• Instale calentadores del cárter: Para sistemas expuestos a bajas temperaturas ambientales, los calentadores del cárter evitan la migración de refrigerante al aceite del compresor durante el ciclo de apagado, protegiendo contra el ingreso de líquido en el arranque.
• Verifique condensadores y contactores: Los condensadores de arranque y funcionamiento afectan directamente las características de arranque y funcionamiento del motor del compresor. Los condensadores débiles provocan arranques difíciles que estresan los devanados del compresor. Los contactores deben inspeccionarse para detectar picaduras y reemplazarse antes de que causen problemas de conexión intermitente.

Dimensionamiento del compresor y combinación con la unidad condensadora

Seleccionar el tamaño correcto del compresor es una de las decisiones más importantes en el diseño de un sistema de refrigeración. Un compresor de gran tamaño realiza ciclos cortos (se enciende y apaga con demasiada frecuencia), lo que provoca cambios de temperatura, desgaste excesivo y funcionamiento ineficiente. Un compresor de tamaño insuficiente funciona continuamente, no puede alcanzar temperaturas de referencia y opera a temperaturas de descarga elevadas que acortan su vida útil.

El tamaño del compresor se expresa en caballos de fuerza (HP) o toneladas de refrigeración (TR), donde 1 tonelada de refrigeración equivale a 12.000 BTU/h de capacidad de refrigeración . El dimensionamiento adecuado requiere calcular la carga térmica total del espacio refrigerado, teniendo en cuenta:

• Carga de transmisión (calor que entra a través de paredes, pisos y techos)
• Carga de infiltración (aire caliente que entra por las aberturas de las puertas)
• Carga de producto (calor que se debe eliminar de los productos almacenados)
• Cargas internas (iluminación, motores, personas dentro del espacio)
• Carga desplegable (la capacidad adicional necesaria para llevar un espacio cálido al punto establecido inicialmente)

La unidad de condensación seleccionada debe contener un compresor clasificado para manejar esta carga total en las condiciones de operación esperadas, específicamente a la temperatura de succión de diseño (relacionada con la temperatura de evaporación) y la temperatura de condensación de diseño (relacionada con la temperatura ambiente más la temperatura de aproximación del serpentín del condensador).

La mayoría de los fabricantes de compresores y unidades de condensación publican tablas de rendimiento que muestran la capacidad a diversas temperaturas de succión y temperaturas de condensación. Seleccione siempre basándose en las condiciones operativas reales, no solo en las clasificaciones de la placa de identificación, que generalmente se dan en condiciones de prueba ARI estándar que pueden no coincidir con las aplicaciones del mundo real.

Compresores de velocidad variable en unidades condensadoras modernas

Los compresores tradicionales funcionan a una velocidad fija: están completamente encendidos o completamente apagados. Esta operación binaria significa que el sistema siempre está funcionando a plena capacidad cuando está encendido, independientemente de si se necesita plena capacidad. Las unidades de condensación modernas utilizan cada vez más compresores de velocidad variable accionados por inversores que ajustan su velocidad continuamente para satisfacer la demanda de refrigeración real.

El ahorro de energía puede ser sustancial. Cuando un sistema de refrigeración solo necesita el 60% de su capacidad nominal, un compresor de velocidad variable que funciona a velocidad reducida consume significativamente menos energía que un compresor de velocidad fija que se enciende y apaga. Los estudios han demostrado que Las unidades condensadoras de velocidad variable pueden reducir el consumo de energía del compresor entre un 30 % y un 50 %. en aplicaciones con perfiles de carga variables en comparación con equivalentes de velocidad fija.

Los beneficios adicionales de los compresores de velocidad variable incluyen:

• Temperaturas de los espacios refrigerados más estables debido a la capacidad de modulación en lugar de la oscilación de temperatura debida al ciclo de encendido/apagado
• Desgaste mecánico reducido al eliminar los ciclos frecuentes de arranque/parada
• Menor consumo de corriente máxima al inicio, lo que reduce los cargos por demanda en las facturas de servicios públicos.
• Mejor control de la humedad en aplicaciones de refrigeración de precisión

Los compresores de velocidad variable tienen un costo inicial más alto y controles electrónicos más complejos, pero los ahorros operativos en aplicaciones comerciales generalmente brindan períodos de recuperación de la inversión. 2 a 4 años dependiendo de las horas de operación y los costos de electricidad locales.

Lectura de diagnósticos del compresor: presiones, temperaturas y amperaje

Para los técnicos y administradores de instalaciones, comprender cómo son los parámetros operativos normales del compresor hace que el diagnóstico de problemas sea mucho más sencillo. Tres mediciones son esenciales: presión de succión, presión de descarga y consumo de amperaje.

Presión de succión

La presión de aspiración corresponde a la temperatura de evaporación. Para una aplicación de refrigeración de temperatura media que utiliza R-404A con una temperatura de caja de 35 °F (2 °C), la presión de succión generalmente debe ser de aproximadamente 45 a 55 psi , correspondiente a una temperatura de evaporación de aproximadamente 20 a 25 °F (-7 a -4 °C). Una presión de succión baja generalmente indica una carga baja de refrigerante, un dispositivo de medición restringido o un compresor sobredimensionado. La presión de succión alta puede indicar una sobrecarga de refrigerante, una carga alta de producto o válvulas del compresor defectuosas.

Presión de descarga

La presión de descarga refleja la temperatura de condensación dentro del serpentín del condensador de la unidad condensadora. Para R-404A en una temperatura ambiente de 95 °F (35 °C) con un condensador adecuadamente limpio, la presión de descarga debe ser aproximadamente 250 a 280 psi . Una presión de descarga elevada (por encima de 300 PSI en este escenario) indica bobinas del condensador sucias, flujo de aire inadecuado alrededor de la unidad de condensación, sobrecarga de refrigerante o gases no condensables en el sistema.

Consumo de amperaje

Comparar el amperaje medido con el RLA (amperaje de carga nominal) indicado en la placa del compresor es una verificación de estado rápida. Un amperaje significativamente superior al RLA indica que el compresor está trabajando demasiado, generalmente debido a una alta presión de descarga o problemas mecánicos. Un amperaje muy por debajo del RLA sugiere una presión de succión baja o válvulas de descarga defectuosas que reducen el trabajo de compresión efectivo.

Cuándo reemplazar o reparar un compresor en una unidad condensadora

El reemplazo del compresor es costoso y generalmente oscila entre $500 a $3,000 o más solo para el compresor, más mano de obra. La decisión de reemplazar o reparar (o reemplazar toda la unidad condensadora) depende de varios factores.

• Edad de la unidad condensadora: Si la unidad es más de 10 a 12 años , reemplazar sólo el compresor puede no tener sentido económico. Otros componentes, como el serpentín del condensador, el motor del ventilador y los controles, también están envejeciendo y pueden fallar poco después del reemplazo del compresor.
• Tipo de falla: Una falla mecánica (válvula rota, cojinetes desgastados) que no haya contaminado el circuito de refrigerante puede justificar el reemplazo del compresor únicamente en una unidad más nueva. Una quemadura eléctrica que ha esparcido ácido por todo el sistema requiere una limpieza exhaustiva y, a menudo, hace que el reemplazo completo de la unidad sea más práctico.
• Tipo de refrigerante: Es mejor reemplazar las unidades que utilizan refrigerantes en desuso, como el R-22 o el R-404A, por unidades de condensación más nuevas y de mayor eficiencia que funcionen con refrigerantes de menor PCA, como el R-448A o el R-454C, evitando costos continuos de suministro y cumplimiento.
• Identificación de la causa raíz: Antes de reemplazar cualquier compresor, se debe identificar y corregir la causa subyacente de la falla. Instalar un nuevo compresor en un sistema con el mismo problema subyacente (serpentines del condensador sucios, carga inadecuada de refrigerante, problemas de voltaje) garantiza que el reemplazo también fallará prematuramente.