Últimos avances en centrales frigoríficas comerciales con compresores scroll y sistema de inyección de vapor

El concepto de compresor scroll ya fue propuesto en 1905 por el francés León Creux. No obstante, la precisión requerida por los componentes de dichos compresores requería de unos avances tecnológicos en la industria metalúrgica los cuales no pudieron ser alcanzados hasta principios de los años 80. Desde entonces, la tecnología de los compresores scroll ha ido encandilando cada vez a más usuarios gracias a las numerosas ventajas que presentan:

• Buen rendimiento volumétrico debido a la no existencia de espacio muerto perjudiciales.
• No existencia de válvulas de admisión.
• Menor relación de pulsaciones en la descarga, flujo más continuo.
• Mayor fiabilidad debido a la utilización de menor número de componentes móviles.
• Mayor rendimiento isentrópico.
• Menores niveles sonoros.

Una evolución natural ha sido dotar a estos compresores de regulación de capacidad lo cual ha permitido explotar aún más sus múltiples ventajas. Entre las diferentes opciones (variación de frecuencia, regulación por etapas de compresores, etc), la que ha sido más ampliamente aceptada es la regulación del compresor mediante ciclos de compresión-descompresión. Dicha tecnología consiste en emplear una válvula solenoide para conseguir que las espiras del compresor se acoplen o desacoplen provocando así la compresión o no del refrigerante durante el giro solidario de ambas espiras. Dicha modulación es equivalente a una regulación por ancho de pulso de una válvula solenoide. Esta tecnología presenta múltiples ventajas como es la simplicidad del sistema, nulo acoplamiento electromagnético, modulación de la capacidad (10%-100%), gran eficiencia, buen retorno de aceite, etc.

No obstante, esta tecnología también implica una serie de inconvenientes:

El carácter pulsante de la regulación hace que cualquier otro componente existente en la instalación deba ser capaz de adaptarse a los continuos cambios cíclicos de presión. Sirva como ejemplo una válvula de expansión, la cual debe adaptarse a los ciclos en los que el compresor comprime tanto como a los en que el compresor está sin comprimir.

Otro factor es la necesidad de un módulo específico para controlar los ciclos de la válvula solenoide mediante ancho de pulsos.

También cabe destacar la lenta respuesta del sistema ante cambios bruscos de la instalación. Debido a la limitación entre duración del ciclo de modulación y durabilidad de la solenoide (a menor duración del ciclo, mayor número de activación de la solenoide y menor tiempo de vida de ésta) el fabricante no recomienda utilizar ciclos de modulación menores a los 10 segundos. Esto implica que ante un cambio de condiciones bruscas en la instalación, el sistema no actualiza su estado hasta transcurrido los 10 segundos como mínimo.

Finalmente, como último inconveniente se pone de manifiesto que, en una central de compresores donde por reducción de costes sólo se monta un compresor scroll de regulación de capacidad junto a varios todo-nada, dicho compresor siempre estará en claro desequilibrio frente a el resto pues sobre él recaerá el mayor número de horas de funcionamiento.

Desde la aprobación de la normativa F-Gas aprobada por el Parlamento Europeo en abril de 2014, con el objetivo de proteger el medio ambiente reduciendo las emisiones de gases fluorados, se establecen una serie de normas que deben aplicarse: recuperación y destrucción de gases fluorados, condiciones de comercialización, limitaciones de uso, etc. A partir de 2020 se prohíbe el uso de R404A en nuevos equipos e instalaciones en la Unión Europea, y además tampoco se podrán recargar las instalaciones de más de 10 Kg de R404A.

Con el objetivo de obtener refrigerantes con un PCA inferior a 2000, se están lanzando otras alternativas (R407A, R407F, R449A, etc.).

Para ampliar el rango de funcionamiento de los compresores de baja temperatura de la central se emplea una inyección de vapor. En la figura nº1 se muestra un esquema del montaje estándar de un sistema de inyección de vapor mediante intercambiador de placas. Los compresores Scroll aspiran gas a baja presión, comprimiéndolo hasta una presión intermedia donde se inyecta vapor que es suministrado por un intercambiador de placas. En este intercambiador se subenfría líquido a la salida del condensador y se evapora el líquido que a continuación es inyectado por el puerto del compresor. De este modo se consigue reducir el caudal másico de vapor aspirado a baja presión, dando mayor potencia el equipo a la vez que mayor eficiencia. Este sistema además de mejorar la eficiencia y potencia del ciclo, reduce la temperatura de descarga gracias al efecto de enfriamiento en la inyección intermedia el cual hay que tener muy en cuenta a la hora de utilizar los nuevos refrigerantes emergentes (R449A, R448A, R407F, etc.).

Figura nº1. Esquema sistema inyección de vapor

En este artículo se presenta un nuevo sistema de regulación de capacidad en compresores scroll que pretende sortear los inconvenientes anteriormente expuestos aprovechando componentes que son necesarios incorporar en las nuevas centrales de baja temperatura.

Figura nº2. Esquema sistema regulación capacidad

Dicho sistema sólo difiere de una central estándar con compresores scroll y sistema de inyección de vapor en que consta de una válvula adicional de by-pass de gas (VBG), figura nº2. El sistema de control de capacidad se basa en la posibilidad de regular de forma continua el caudal de inyección de vapor en los compresores scroll con inyección de vapor, a través de una válvula motorizada VBG. En efecto, el by-pass de vapor provocará la caída de la presión de inyección de vapor VIP, reduciéndose de este modo la admisión de vapor a través del puerto de inyección de los compresores.

Con la válvula de VBG cerrada, la presión de inyección viene a situarse algo por debajo de la media geométrica entre la alta y baja presión, (figura nº3).

Figura nº3. Diagrama sistema inyección vapor a pleno rendimiento

En estas condiciones el rendimiento de la central es óptimo, desarrollando toda su potencia frigorífica.

Conforme se abre la válvula de VBG se reduce la presión del vapor de inyección, reduciéndose la cantidad de vapor inyectado. El vapor que pasa a través del bypass hacia la aspiración del compresor viene a elevar la presión de aspiración sustituyendo al caudal de refrigerante proveniente del evaporador.

Como efecto secundario el efecto del subenfriador aumenta, reduciendo la temperatura del líquido.

Cuando la presión del refrigerante evaporador en el subenfriador se equipara a la presión de precompresión, cesa la inyección de vapor en el scroll y el ciclo de compresión equivale al de un compresor de simple etapa (figura nº4).

Figura nº4. Diagrama sistema con inyección de vapor a la presión intermedia anulada

A partir de esta situación, al abrir aún más la válvula VBG se aumenta más el gas proveniente del by-pass de gas y disminuye el proveniente del evaporador. De este modo, aunque el compresor de la misma potencia, se consigue seguir regulando la capacidad.

Para evaluar el sistema se ha empleado una central de baja temperatura. La central tiene una consigna de presión de evaporación de -30°C, se compone de tres compresores de baja temperatura que a pleno rendimiento que desarrollan una potencia de 14,4kW bajo las condiciones anteriores. Para la prueba se utilizan dos evaporadores uno de 700w y otro de 2800w.

Llegado a la mitad de la prueba se desconecta el evaporador de 2800w y se deja la instalación con el evaporador de 700w hasta alcanzar una consigna de cámara fijada a unos -20°C.

Zona 1: En la gráfica anterior (figura nº5) se puede ver que la central rápidamente alcanza su consigna de aspiración al conectar los tres compresores simultáneamente. Ambos evaporadores están conectados y la cámara empieza a bajar de temperatura.

Zona 2: Una vez alcanzada la consigna, la central regula la capacidad incluso manteniendo los tres compresores activos. Se puede observar en la gráfica de la tercera fila la apertura de la válvula VBG. Un efecto anteriormente mencionado y que se manifiesta aquí es el aumento del subenfriamiento de la línea de líquido a medida que se abre la válvula VBG. En la gráfica de la segunda linea se observa que al inicio el líquido se subenfría 35K correspondiente a VBG=0%, mientras que cuando la válvula VBG=25% el subenfriamiento del líquido se corresponde a ~40K.

Zona 3: Durante este periodo de tiempo la instalación tiene activos los dos evaporadores y la central funciona con dos compresores.

Zona 4: Al principio de este periodo se alcanza la consigna de cámara por lo cual ambos evaporadores se desconectan simultáneamente. La central recoge gas y desconecta escalonadamente sus compresores que tenía activos. A partir de este punto, se decide desconectar el evaporador de 2800w y se deja sólo activo el de 700w.

Zona 5: Al subir de nuevo la presión de evaporación se activa de nuevo la central y empieza a regular la capacidad para adaptarse al evaporador de 700w. Dentro de la cámara se introduce una carga térmica para evitar que se desconecte el evaporador y poder comprobar que mantiene las presiones correctas de funcionamiento.

El sistema anteriormente descrito se muestra como una opción fácil de adaptar sobre una central comercial de baja temperatura con compresores scroll y sistema de inyección de vapor.

El sistema muestra como una de sus ventajas, la capacidad de regulación de cargas de hasta un ~5% del total de la potencia de la central, haciendo especial énfasis en la regulación linealmente sin pulsaciones en las presiones de evaporación que se muestran en las gráficas anteriormente expuestas.

Otra ventaja de este sistema es que durante su funcionamiento no penaliza el uso de un único compresor como sucede en los casos de compresores inverter o regulación por capacidad pulsante, por lo que el funcionamiento de todos los compresores se equilibra mediante la rotación de estos.

Los evaporadores funcionan siempre con líquido subenfriado, lo que permite un tamaño menor de evaporadores para dar igual potencia que uno equivalente estándar así como tamaños inferiores en las líneas de líquido requeridas y la carga en la instalación.