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Company Name HereCOMPRESORES CENTRÍFUGOS

ASPECTOS ENERGETICOSASPECTOS ENERGETICOS

E. TORRELLA

COMPRESORES CENTRÍFUGOSPrincipio

• Los compresores centrífugosson dispositivos dinámicosque intercambian de formacontinua momento angularentre un elemento rotativo(rodete) y el fujo de vaporesde refrigerante. Cuando lasmoléulas del fluido son

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moléulas del fluido sonaceleradas por la fuerzacentrífuga, avanzan y sonsustituidas. El efecto global esel de una continuacompresión del caudal devapor.

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COMPRESORES CENTRÍFUGOSAnytecedentes

• Entre 1921 y 1922Carrier patenta el“centrifugal chiller”destinado alacondicionamiento de

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grandes espacios. Estetipo de compresoresestán fundamentadosen los trabajos deAuguste CamilleEdmond Rateau sobremáquinas de vapor.

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COMPRESORES CENTRÍFUGOS Los primeros compresores

• En 1910, H. Lorenz y E. Elgenfeldpropusieron el uso de compresorescentrífugos en el Congreso deRefrigeración de Viena.

• Sin embargo no fue hasta 1911 en queW. H. Carrier los aplica, el motivo desu introducción fue disminuir eltamaño de las instalaciones de granpotencia. En 1919 Carrier utilizódicloroetileno (C2H2Cl2) y despuésdiclorometano (CCl2H2), tambiénl d til 1926 E l ñ Primer centrífugo Carriercloruro de metilo en 1926. En los años

30 se empieza a utilizar el R11 y mastarde R12, propano y otros fluidospara bajas temperaturas.

• En Suiza, Brown Boveri Co. En 1926trabajo con amoníaco en este tipo decompresores, mas trade con CFC.

• Los compresores, antes de 1940,tenían de 5 a 6 rodetes, para pasar a2 ó 3 entre 1940 y 1960. A partir de1960 se empezó a construir tambiéncon un único rodete.

Pag. 4Reuben Trane. Turbovac 1939

Primer centrífugo Carrier

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COMPRESORES CENTRÍFUGOS Base de funcionamiento

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• El compresor centrífugo es un dispositivo de tipo dinámico,no de desplazamiento positivo como el resto de los equiposutilizados en máquinas de compresión. Está constituido poruna o mas ruedas impulsoras montadas sobre un eje ycontenidas dentro de una carcasa. El aumento de presión seconsigue por conversión desde energía cinética.

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COMPRESORES CENTRÍFUGOS

• El principio de operación de un compresor centrifugo essimilar al de los ventiladores o bombas centrifugas.– El vapor a baja presión y con baja velocidad, proveniente de la

tubería de succión, se introduce en la cavidad interna u ojo dela rueda impulsora a lo largo de la dirección del eje del rotor.

– Una vez en la rueda, el vapor es forzado a salir radialmentehacia el exterior por la acción de los álabes del impulsor y porla fuerza centrifuga desarrollada en la rotación de la rueda.

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g– El vapor es descargado a una velocidad alta, habiendo

experimentado asimismo un aumento de temperatura ypresión.

– Cuando deja la periferia de la rueda es conducido a unospasadizos situados en el cuerpo mismo del compresor y queestán esencialmente diseñados para reducir la velocidad delvapor. Estos dirigen al vapor hacia la entrada del siguienteimpulsor o, en el caso del ultimo paso, lo descargan a unacámara desde donde el vapor pasa a la tubería de descargahacia el condensador.

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COMPRESORES CENTRÍFUGOS Proceso de compresión

• Los dos procesos que tienen lugar en elinterior de un turbocompresor centrífugo,son:– Un aumento de la energía cinética del gas

(presión dinámica) y también algo la estática

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(presión dinámica), y también algo la estática.Este proceso tiene lugar en el rodete.

– Disminución gradual, sin turbulencias, de lavelocidad alcanzada por el gas en el rodete,consiguiéndose como contrapartida unaelevación de la presión estática. Este segundoproceso tiene lugar en el difusor.

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COMPRESORES CENTRÍFUGOS Aumento de energía cinética en rodete

• Este proceso tiene lugar en el rodete que tiene como misión acelerar el gas, que esaspirado axialmente hacia el centro del rodete, y cambia su dirección en 90ºconvirtiéndolo en un flujo radial.

• Cuando el rodete de un turbocompresor centrífugo gira en presencia de un gas, lafuerza centrífuga le empuja desde la boca de entrada del rodete hasta el final delálabe. La velocidad del fluido a la salida del álabe, originada por esta fuerza centrífugaes w2.

• Por otra parte, el fluido es empujado también en la dirección de la trayectoria delextremo exterior del álabe, punto donde la velocidad es, u2 = r2 w. Estas dosvelocidades, que actúan simultáneamente sobre el fluido a la salida del álabe, secombinan entre sí para dar en dicha salida una resultante c2 que es en magnitud y

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combinan entre sí para dar en dicha salida una resultante c2 que es, en magnitud ysentido, la velocidad absoluta a la que realmente el fluido abandona el álabe, cuyovalor suele ser del orden del (50 ÷ 70%) de u2, dependiendo del ángulo β2 a la salida.

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COMPRESORES CENTRÍFUGOS Intercambio energía cinética a presión

• Este proceso tiene lugar en el difusor.• Los cambios de velocidad y presión estática que el gas

experimenta a su paso por el turbocompresor centrífugo son:– OA.- Presión estática y dinámica a la entrada del turbocompresor– MB.- Presión estática a la salida del rodete– MC.- Presión dinámica a la salida del rodete– NE.- Presión dinámica a la salida del difusor

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– NF.- Presión estática a la salida del difusor

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COMPRESORES CENTRÍFUGOS Presión, velocidad y temperatura

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COMPRESORES CENTRÍFUGOS El rodete impulsor

• El rodete consta de un cierto número de álabes, que puedenir dispuestos de varias formas, El parámetro fundamentalque caracteriza el álabe de un turbocompresor es el ángulode salida β2 y, según él, se clasifican los álabes en:– Alabes curvados hacia atrás, β2 < 90º. Todos los compresores

de refrigerante tienen los álabes vueltos hacia atrás.– Alabes curvados hacia adelante, β2 > 90º

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Alabes curvados hacia adelante, β2 90– Alabes de salida radial, β2 = 90º

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Rodete con álabes de salidaradial, curvados a la entrada

• El ángulo β1 de lavelocidad relativa es elexigido por una entradaradial de la corrienteabsoluta, α1 = 90º, sinrotación.

• La construcción con salida

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La construcción con salidaradial, β2 = 90º, reduce losesfuerzos centrífugosprácticamente a esfuerzosde tracción.

• Con este tipo de rodete seobtienen velocidadesperiféricas elevadísimas,pudiéndose llegar a los 500m/seg.

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COMPRESORES CENTRÍFUGOSLeyes

• Los compresores centrífugosobedecen a la leyes propiasde los ventiladores y bombascentrífugas.

• “Lift” es la diferencia entre la

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presión de condensación y deevaporación.

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COMPRESORES CENTRÍFUGOS Componentes

Pag. 14E. TORRELLA

COMPRESORES CENTRÍFUGOSRelación altura – Caudal (I)

• Sobre la figura se presenta un álabe de unrodete del compresor, con suscorrespondientes triángulos de velocidad ala entrada y salida.

w r2v2

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w r2

u2

v2

w r1

u1v1

r1r2

β w r2

u2

v2

βv2t

v2n

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COMPRESORES CENTRÍFUGOSRelación altura – Caudal (II)

• El par que el compresor precisa viene dado por laexpresión:

• en la que:– T = par [kgm]

( )1122 rvrvGT tt −=

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T = par [kgm].– G = caudal másico [kg/s].– v2t = velocidad tangencial del refrigerante en la salida [m/s].– r2 = radio en la salida del rodete [m].– v1t = velocidad tangencial del refrigerante en la entrada [m/s].– r1 = radio en la entrada del rodete [m].

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COMPRESORES CENTRÍFUGOSRelación altura – Caudal (III)

• Los fabricantes tienden a disminuir en lo posible el valor dela velocidad de entrada, con lo que puede considerarse:

• y la potencia se obtendrá multiplicando el par por lavelocidad de giro, con lo que está se obtendrá como:

01 ≈tv 22 rvGT t=

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velocidad de giro, con lo que está se obtendrá como:

• si ahora dividimos la potencia por el caudal másico derefrigerante, se obtendrá el trabajo por unidad de masa derefrigerante, que en una compresión isoentrópica secorresponde con el aumento de entalpías específicas en elproceso, es decir:

wrvGP t 22=

wrvhGP

ts 22=Δ=

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COMPRESORES CENTRÍFUGOSRelación altura – Caudal (IV)

• El régimen de funcionamiento que permite el máximodesarrollo de presión es aquél para el que no existe flujo, loque se denomina “régimen de cierre”, en el cual se cumple:

• dado que el fluido está girando a la misma velocidad que eld t l t di i l

wrv t 22 =

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rodete, por lo que en estas condiciones se cumple:

• expresión que nos permite concluir que el salto de presiónserá tanto mas elevado cuanto mayor sea la velocidad degiro, o el tamaño del rodete.

( )22 wrhs =Δ

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COMPRESORES CENTRÍFUGOSRelación altura – Caudal (V)

• Si ahora dividimos los dos miembros de la expresión delsalto entálpico por “g” (constante gravitatoria) se tiene laexpresión de la altura del compresor:

grwvAltura t /22=

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• Del triángulo de velocidades en el extremo del rodete:

• sustituyendo

βcot222 nt vrwv +=

gvrwrwAltura n βcot)( 22

22 +

=

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COMPRESORES CENTRÍFUGOSRelación altura – Caudal (VI)

• En un compresor determinado trabajando con unrégimen de giro fijo se tienen como constantes lassiguientes magnitudes “w”, “r2” y “β”. Todos loscompresores utilizados en el campo del fríoindustrial tienen los alabes vueltos hacia atrás, es

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decir, “β” > 90º, por lo que su cotangente tomaun valor negativo. Por otro lado, el caudal quesale del rodete es proporcional a “v2n”, por lo quecuando el caudal aumenta, el factor“w.r2.v2n.cotβ” disminuye, dando como resultadola línea característica del compresor, que cuandono existen pérdidas, es una línea recta

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COMPRESORES CENTRÍFUGOSRelación altura – Caudal (VI)

• El funcionamiento real difiere del visto sin pérdidas en lasimperfecciones que se producen en el compresor, siendo laprimera de ellas la debida al impacto del flujo circulatoriocontra el rodete con la formación de remolinos, la siguientededucción es la pérdida debida a la fricción que creceaproximadamente con el cuadrado del caudal, finalmente sededucen las pérdidas debidas al cambio de dirección a la

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pentrada del rodete impulsor. Con relación a estas pérdidashay que decir que al variar el caudal lo hace en dirección lavelocidad a la entrada “v1”. El proyectista puede fijar elángulo del alabe a la entrada del impulsor, pero éste seráúnicamente el adecuado para un determinado caudal queaparece marcado como “Punto de Proyecto”, para caudalesdiferentes al de proyecto se producen pérdidas debidas a laturbulencia.

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COMPRESORES CENTRÍFUGOS Deslizamiento

• Aunque la velocidad relativa a la salida del rodete deberíaser w2 bajo un ángulo β2 igual al ángulo del álabe a lasalida, lo cierto es que la teoría y la experiencia demuestranque la velocidad relativa efectiva a la salida del rodete sí esw2, pero bajo un ángulo, β2’ < β2. Este hecho se demuestramediante la teoría del fluido ideal irrotacional, en el que seorigina un torbellino relativo.

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g• En el rodete real con número finito de álabes la corriente no

es guiada perfectamente por los álabes, sino que a lacorriente relativa de desplazamiento del gas en el rodete sesuperpone un torbellino potencial o un giro relativo de lacorriente en el espacio comprendido entre cada dos álabesconsecutivos.

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COMPRESORES CENTRÍFUGOS Deslizamiento

Pag. 23E. TORRELLA

Altu

raA

ltura Funcionamiento sin pérdidasFuncionamiento sin pérdidas

Flujo circulatorioFlujo circulatorio

COMPRESORES CENTRÍFUGOSRelación altura – Caudal (VII)

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VV

Flujo circulatorioFlujo circulatorio

RozamientoRozamiento

Pérdidas en Pérdidas en la entradala entradaFuncionamiento netoFuncionamiento neto

PuntoPuntoproyectoproyecto

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COMPRESORES CENTRÍFUGOS Q0 – T0 (I)

• La curva altura/caudal puede reconvertirse a unsistema de coordenadas potenciafrigorífica/temperatura de evaporación, másconveniente en instalaciones de producción defrío. Esta nueva representación se ha plasmadosobre la figura siguiente, la cual posee una

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sobre la figura siguiente, la cual posee unatemperatura de condensación fija, en la que sepuede observar que la temperatura deevaporación, eje de ordenadas, aumenta de arribaabajo, lo que es evidente pues al descender latemperatura se produce un aumento en el trabajode compresión. Por otro lado el caudal esproporcional a la potencia.

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COMPRESORES CENTRÍFUGOS Q0 – T0 (II)

• Cuando la potencia disminuye desde elpunto “A”, el punto de funcionamientose desplaza sobre la línea defuncionamiento, si el descenso hastavalores inferiores al del punto “B”,punto de máxima altura, la diferenciade presiones entre las decondensación y evaporación supera ala que el compresor puede alcanzar,con lo que algo de vapor retrocede porel compresor cuando el punto se dirigel “C” E t t d

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al “C”. Esto provoca un aumento devapor en evaporador, y el punto defuncionamiento salta repentinamenteal estado “D”, repitiéndose el ciclocuando el compresor se encuentrapoco alimentado. Este fenómeno seproduce a bajas cargas, inferiores al35% de la nominal, recibiendo ladenominación de “régimen defluctuación, bombeo ó surging”.

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COMPRESORES CENTRÍFUGOS Surging

Punto normal

Lígero incremento en resistencia; estableTurning PointPresión

Q P'P

Curvas del sistema

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de operaciónSurge Zone inestable

Caudal

Curva compresor

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• Si se acepta que α1 = 90º, se demuestra que la relación decompresión máxima teóricamente alcanzable en una etapa es:

• Si se desprecia w2 frente a u2 se cumple que: c2 = u2 = r2 w y por

COMPRESORES CENTRÍFUGOS Tasa máxima en una etapa

1

1

22arg 11 −

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+

−==

γγ

γγ

TRcu

pp

t u

aspiración

adesc

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• Si se desprecia w2 frente a u2 se cumple que: c2 = u2 = r2 w, y porlo tanto, que; u2 = c2u y β2 = 90º; por lo que la relación anteriorquedaría en la forma:

• de la que se deduce que en un compresor dado que gira avelocidad constante y desplaza un gas determinado, cuanto mayorsea la temperatura de entrada del gas menor será la relación decompresión generada.

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1

1

22arg 11 −

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+

−==

γγ

γγ

TRu

pp

taspiración

adesc

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COMPRESORES CENTRÍFUGOSTasa máxima con varias etapas

• Si se colocan unos cuantos rodetes en serie, larelación de compresión total del turbocompresores igual al producto de las relaciones decompresión de cada escalonamiento; si la relaciónde compresión es la misma para todos losescalonamientos, resulta igual a la enésimapotencia de dicha relación de compresión siendo

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potencia de dicha relación de compresión, siendoZ el número de escalonamientos.

• Si la relación de compresión es pequeña se suelenconstruir todos los rodetes iguales y con el mismodiámetro exterior, por lo que el salto entálpico entodos los rodetes es igual pero la relación decompresión no, debido al aumento detemperatura del gas con la compresión.

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COMPRESORES CENTRÍFUGOSRelación tasa - caudal

Pag. 30E. TORRELLA

COMPRESORES CENTRÍFUGOS Aplicación de los turbocompresores

• Capacidad de desplazar grandes volúmenes• Incapacidad de utilización ante relaciones de compresión

elevadas.• Las características enumeradas hacen que este tipo de

compresores tenga su campo de aplicación en las grandesinstalaciones de acondicionamiento de aire. Comoorientación, actualmente su rango de aplicación oscilaentre:entre:

Caudal Velocidad Capacidad

0,03 ÷ 15 m3/s 1800 ÷ 90000 r.p.m. 50 ÷ 5000 tonR

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COMPRESORES CENTRÍFUGOSCOMPRESORES CENTRÍFUGOSUn Un rodeterodete

EngranajesRodete

Compuertas de Prerotaciòn (PRV)

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Evaporador

Condensador

Motor Eléctrico

Vapor BP

Vapor AP

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COMPRESORES CENTRÍFUGOSCOMPRESORES CENTRÍFUGOSDos Dos rodetesrodetes

Pag. 33E. TORRELLA

COMPRESORES CENTRÍFUGOSCOMPRESORES CENTRÍFUGOSDos Dos rodetesrodetes. . EconomizadorEconomizador

Pag. 34E. TORRELLA

Condensador

Economizador

Evaporador

COMPRESORES CENTRÍFUGOSCOMPRESORES CENTRÍFUGOSDos Dos rodetesrodetes. . EconomizadorEconomizador

• Además de reducir el díámetro delrodete y el tamaño de la carcasa, lautilización de un economizadoraumenta en teoría la eficiencia.Enrealidad se trata de un sistema yavisto en doble compresión y conocidocomo de expansión escalonada. Laexpansión del liquido de alta presión ala salida del condensador, se lleva aun depósito, por la parte superior seextrae el vapor que se mezcla con la

lid d l i d t i i d

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salida del primer rodete, consiguiendoun cierto desrecalentamiento. Elliquido restante se lleva a la segundaetapa de expansión, con lo que seconsigue una menor entalpía a laentrada del evaporador, y porsupuesto un menor porcentaje devapor.

• En la práctica las dificultades deespacio entre rodetes limitan lasposibilidades del sistema.

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COMPRESORES CENTRÍFUGOSCOMPRESORES CENTRÍFUGOSTresTres rodetesrodetes. . EconomizadorEconomizador

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COMPRESORES CENTRÍFUGOSCOMPRESORES CENTRÍFUGOSTresTres rodetesrodetes. . EconomizadorEconomizador

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Vistas de enfriadoras concompresores centrífugos

Pag. 38E. TORRELLA

Esquema de Inst. A.A. concompresores centrífugos

Climatizadora Enfriadora Torre Enfriamiento

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1. Climatizadora2. Enfriadora

3. Torre Enfriamiento1. Climatizadora2. Enfriadora

1. Climatizadora2. Enfriadora

3. Torre Enfriamiento

E. TORRELLAPag. 4010000 TR con compresor centrífugo

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COMPRESORES CENTRÍFUGOS COMPRESORES CENTRÍFUGOS Regulación de capacidad

• Los métodos de regulación de la potenciade un compresor centrífugo en función dela demanda son:– Reducción de la velocidad de giro.

Al b d t ió

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– Alabes de prerotación.– Aumento de la presión de condensación por

reducción del caudal del agente externo decondensación.

– By-pass de vapor de la descarga a laaspiración.

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COMPRESORES CENTRÍFUGOS COMPRESORES CENTRÍFUGOS Alabes de prerotación

Pag. 42E. TORRELLA

COMPRESORES CENTRÍFUGOS COMPRESORES CENTRÍFUGOS Alabes de prerotación

• El método mas común de reducción de carga són losdispositivos de prerotación (válvulas), cuando la carga baja,el caudal de refrigerante debe reducirse, las válvulas cierranpara adaptarse a las necesidades.

• En la figura se observa para un compresor de un rodete convelocidad de giro constante, la disminución de caudal con elángulo de cierre de las válvulas de prerotación.

Pag. 43E. TORRELLA

COMPRESORES CENTRÍFUGOS COMPRESORES CENTRÍFUGOS Alabes de prerotación

• Con válvulas deprerotación, el controlde capacidad puedemantenerse en elrango de 10 al 100%.

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• En la figura se observala desviación ,respecto a laregulación ideal(bisectiz).

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COMPRESORES CENTRÍFUGOSCOMPRESORES CENTRÍFUGOSPrerotaciónPrerotación/ / VariadorVariador de de frecuenciafrecuencia

• Las vávulas de prerotación son elsistema mas barato, simple y efectivode regulación en compresorescentrífugos, pero se le puede combinarcon sistemas de control por variaciónde frecuencia sobre el motor eléctricode accionamiento, en ese caso se hacomprobado como mas efiente lacombinación:

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– > 50% load, mejor con velocidadevariable

– < 50% load, mejor con prerotación• A favor del variador de frecuencia se

tiene la relación cúbica que existe conla velocidad de giro.

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COMPRESORES CENTRÍFUGOS COMPRESORES CENTRÍFUGOS Regulación por By-pass

• La regulación por by-pass de vaporesprocedentes de la descarga delcompresor a la entrada de evaporador,modificando con ello el salto entálpicoen evaporador y con esto la potencia,se han visto en compresoresalternativos, y ya se ha dicho quedesde un punto de vista de consumoenergético son no aconsejables. Estasmismas conclusiones son válidas paracompresores centrífugos.

Pag. 46E. TORRELLA

COMPRESORES CENTRÍFUGOS COMPRESORES CENTRÍFUGOS Características

• Necesidad de mas de un rodete para cubrirsaltos de presión con refrigerantesactuales.

• Rango de 85 a 5000 TR incluso por encimad 10000 TR

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de 10000 TR• Refrigerantes: R22, R123, R134a & R717• Regulación mediante álabes de prerotación

o variación de velocidad.• Mayores rendimientos volumétricos que los

de desplazamiento positivo.

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COMPRESORES CENTRÍFUGOSCOMPRESORES CENTRÍFUGOSComparaciónComparación fluidosfluidos

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