Un
compresor es una máquina que eleva la presión de un gas, un vapor o una mezcla
de gases y vapores. La presión del fluido se eleva reduciendo el volumen específico
del mismo durante su paso a través del compresor. Comparados con turbo
soplantes y ventiladores centrífugos o de circulación axial, en cuanto a la
presión de salida, los compresores se clasifican generalmente como maquinas de
alta presión, mientras que los ventiladores y soplantes se consideran de baja
presión.
Los compresores se emplean para aumentar la presión de una gran variedad de gases y vapores para un gran número de aplicaciones. Un caso común es el compresor de aire, que suministra aire a elevada presión para transporte, pintura a pistola, inflamiento de neumáticos, limpieza, herramientas neumáticas y perforadoras. Otro es el compresor de refrigeración, empleado para comprimir el gas del vaporizador. Otras aplicaciones abarcan procesos químicos, conducción de gases, turbinas de gas y construcción.
Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamadoscompresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Ésto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la substancia que pasa por él conviertiendose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir.
Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, también de temperatura; a diferencia de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable.
Los compresores son ampliamente utilizados en la actualidad en campos de la ingeniería y hacen posible nuestro modo de vida por razones como:
- Son parte importantísima de muchos sistemas de refrigeración y se encuentran en cada refrigerador casero, y en infinidad de sistemas de aire acondicionado.
- Se encuentran en sistemas de generación de energía eléctrica, tal como lo es el Ciclo Brayton.
- Se encuentran en el interior muchos "motores de avión", como lo son los turborreactores y hacen posible su funcionamiento.
- Generan gases comprimidos para la red de alimentación de sistemas neumáticos, los cuales mueven fábricas completas.
ESTRUCTURA DE LOS COMPRESORES
Los
elementos principales de esta estructura son: motor, cuerpo, tapas, enfriador
y árboles.
El cuerpo y las tapas del compresor se
enfrían por el agua. Los elementos constructivos tienen
ciertas particularidades. Para disminuir las perdidas de energía de la fricción
mecánica de los extremos de las placas contra el cuerpo en este se colocan dos
anillos de descarga que giran libremente en el cuerpo. A la superficie exterior
de estos se envía lubricación. Al girar el motor los extremos de las placas se
apoyan en el anillo de descarga y se deslizan parcialmente por la superficie
interior de estos; los anillos de descarga giran simultáneamente en el cuerpo.
Al
fin de disminuir las fuerzas de fricción en las ranuras las placas se colocan
no radicalmente sino desviándolas hacia adelante en dirección de la rotación.
El ángulo de desviación constituye 7 a 10 grados. En este caso la dirección de
la fuerza que actúa sobre las placas por lado del cuerpo y los anillos de
descarga se aproxima a la dirección de desplazamiento de la placa en la ranura
y la fuerza de fricción disminuye.
Para
disminuir las fugas de gas a través de los huelgos axiales, en el buje del
motor se colocan anillos de empacaduras apretados con resortes contra las
superficies de las tapas.
Por
el lado de salida del árbol a través de la tapa, se ha colocado una junta de
prensaestopas con dispositivos tensor de resortes.
TIPOS DE COMPRESORES
Clasificación
según el método de intercambio de energía:
- Reciprocantes o Alternativos: utilizan pistones (sistema bloque-cilindro-émbolo como los motores de combustión interna). Abren y cierran válvulas que con el movimiento del pistón aspira/comprime el gas gracias a un motor eléctrico incorporado. Es el compresor más utilizado en potencias pequeñas. Pueden ser de los tipos herméticos monofásicos, comunes en refrigeradores domésticos. O de mayores capacidades (monofásicos y trifásicos) de varios cilindros que permiten mantención/reparación. Su uso ha disminuido en el último tiempo y ha cedido lugar al compresor de tornillo que tiene mejores prestaciones.
- Rotativo-Helicoidal (Tornillo, Screw): la compresión del gas se hace de manera continua, haciéndolo pasar a través de dos tornillos giratorios. Son de mayor rendimiento y con una regulación de potencia sencilla, pero su mayor complejidad mecánica y coste hace que se emplee principalmente en elevadas potencias, solamente.
- Rotodinámicos o Turbomáquinas: Utilizan un rodete con palas o álabes para impulsar y comprimir al fluido de trabajo.
Clasificación según el indicio constructivo los compresores volumétricos :
Se
subdividen en los de émbolo y de motor y los de paletas en centrífugos y
axiales. Es posible la división de los compresores en grupos de acuerdo con el género de gas que se desplaza, del tipo de
transmisión y de la destinación del compresor. Estos al igual que las bombas
mencionadas anteriormente pueden clasificarse en dos grupos:
1. Compresores
de desplazamiento positivo
2. Compresores
de desplazamiento no positivo
COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO
Compresores Alternativos o de Embolo
El
compresor de embolo, de vaivén o de movimiento alternativo, es una maquina de
desplazamiento positivo que aumenta la presión de un volumen determinado de gas
mediante la reducción de su volumen inicial. La compresión se verifica por el
movimiento de vaivén de un embolo encerrado en un cilindro. Generalmente, el
cilindro es de dobla efecto y esta accionado por un mecanismo de biela y
manivela.
La compresión tiene lugar en ambos extremos del cilindro, el cual
suele llevar una camisa de agua para disparar el calor engendrado por la fricción de los anillos
del embolo y por la empaquetadura del vástago y parte del calor de compresión.
La salida del vástago en el cilindro se cierra con una empaquetadura sin
escapes. Se regula la oportuna salida y entrada del gas en el cilindro mediante
válvulas que se abren según cambia la presión diferencial entre el interior del
cilindro y el sistema gaseoso.
El
proceso de compresión puede verificarse en una sola etapa termodinámica (compresión de una fase) o
dividirse en varias etapas con enfriamiento intermedio del gas (compresión de
varias etapas o multigradual). La compresión multigradual requiere una maquina más
costosa que la compresión unifase, pero se utiliza con mas frecuencia por
varias razones: menor consumo de energía, menor elevación de temperatura del
gas dentro del cilindro y menor diámetro del cilindro.
- Lubricación
Para
la lubricación de los compresores de émbolo se emplean los mismos métodos que para las máquinas de vapor, salvo las altas exigencias de
los aceites de engrase a causa del gran calor radiado por los cilindros de
vapor.
Para
el engrase de los cilindros, como para las máquinas de vapor, se emplean bombas
de émbolo buzo de funcionamiento obligado por la transmisión.
Aún
con altas presiones de gas deben procurarse aceites de poca viscosidad. Un
aceite viscoso exige una potencia innecesariamente grande y hace que las válvulas
tengan más tendencia a pegarse y romperse. Para muy altas presiones, se
emplean, sin embargo, algunas veces los aceites viscosos para mejora la
hermeticidad, aunque la temperatura del gas sea más baja. A ser posible se
utilizara el aceite para el engrase del cilindro y de la transmisión, pues ello
facilita la recuperación y nuevo empleo del aceite.
- Tipos de compresores Alternativos o de Émbolo
a) Compresor
de émbolo oscilante
Este
es el tipo de compresor más difundido actualmente. Es apropiado para comprimir
a baja, media o alta presión.
Para
obtener el aire a presiones elevadas, es necesario disponer varias etapas
compresoras. El aire aspirado se somete a una compresión previa por el primer
émbolo, seguidamente se refrigera, para luego ser comprimido por el siguiente
émbolo. El volumen de la segunda cámara de compresión es, en conformidad con la
relación, más pequeño. Durante el trabajo de compresión se forma una cantidad
de calor, que tiene que ser evacuada por el sistema refrigeración.
b) Compresor
de membrana
Una
membrana separa el émbolo de la cámara de trabajo; el aire no entra en contacto
con las piezas móviles. Por tanto, en todo caso, el aire comprimido estará exento
de aceite. Estos, compresores se emplean con preferencia en las industrias
alimenticias farmacéuticas y químicas.
c) Compresor
de émbolo rotativo
Consiste
en un émbolo que está animado de un movimiento rotatorio. El aire es comprimido
por la continua reducción del volumen en un recinto hermético.
d) Compresores
Rotarios
Se
denominan compresores rotatorios a aquellos grupos que producen aire comprimido
por un sistema rotatorio y continuo, es decir, que empujan el aire desde la
aspiración hacia la salida, comprimiéndolo.
Se
distinguen los siguientes tipos:
1) Compresores
de tornillo: Esencialmente
se componen de un par de motores que tienen lóbulos helicoidales de engrane
constante. La
compresión por motores paralelos puede producirse también en el sentido axial con
el uso de lóbulos en espira a la manera de un tornillo sin fin. Acoplando dos
motores de este tipo, uno convexo y otro cóncavo, y haciéndolos girar en
sentidos opuestos se logra desplazar el gas, paralelamente a los dos ejes,
entre los lóbulos y la carcaza.
Las
revoluciones sucesivas de los lóbulos reducen progresivamente el volumen de gas
atrapado y por consiguiente su presión, el gas así comprimido es forzado
axialmente por la rotación de los lóbulos helicoidales hasta 1ª descarga.
2) Compresores
de paletas deslizantes: El
motor es excéntrico en relación a la carcasa o el cilindro, y lleva una serie
de aletas que se ajustan contra las paredes de la carcasa debido a la fuerza
centrífuga.
Este
tipo de compresores consiste básicamente de una cavidad cilíndrica dentro de la
cual esta ubicado en forma excéntrica un motor con ranuras profundas, unas
paletas rectangulares se deslizan libremente dentro de las ranuras de forma que
al girar el motor la fuerza centrifuga empuja las paletas contra la pared del
cilindro. El gas al entrar, es atrapado en los espacios que forman las paletas
y la pared de la cavidad cilíndrica es comprimida al disminuir el volumen de
estos espacios durante la rotación.
3) Compresores
soplantes: Se
conocen como compresores de doble motor o de doble impulsor aquellos que
trabajan con dos motores acoplados, montados sobre ejes paralelos, para una
misma etapa de compresión. Una máquina de este tipo muy difundida es el
compresor de lóbulos mayor conocida como "Roots", de gran ampliación
como alimentador de los motores diesel o compresores de gases a presión
moderada.
Los motores, por lo general, de dos o tres lóbulos están conectados
mediante engranajes exteriores. El gas que entra al soplador queda atrapado
entre los lóbulos y la carcaza; con el movimiento de los motores de la máquina,
por donde sale, no pudieron regresarse debido al estrecho juego existente entre los lóbulos que se
desplazan por el lado interno.
COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO NEGATIVO
A) Compresores
Centrífugos
El
principio de funcionamiento de un compresor centrífugo es el
mismo que el de una bomba centrífuga, su diferencial principal es que el aire o
el gas manejado en un compresor es compresible, mientras que los líquidos con
los que trabaja una bomba, son prácticamente incompresibles. Los compresores
centrífugos pueden desarrollar una presión en su interior, que depende de la naturaleza y las condiciones del gas que manejan
y es virtualmente independiente de la carga del procesamiento. Las condiciones
que es preciso tomar en cuenta son:
1. La
presión barométrica mas baja
2. La
presión de admisión mas baja
3. La
temperatura máxima de admisión
4. La
razón mas alta de calores específicos
5. La
menor densidad relativa
6. El
volumen máximo de admisión
7. La
presión máxima de descarga
La
mayoría de los compresores centrífugos funcionan a velocidades de 3.500 RPM
(revoluciones por minuto) o superiores y uno de los factores limitantes es el
de la fatiga del impulsor. Los impulsores de los compresores centrífugos son
por lo común motores eléctricos o turbinas de vapor o gas,
con o sin engranajes de aumento de velocidad.
En
un compresor, como en una bomba centrífuga, la carga es independiente del
fluido que se maneje.
Los
compresores centrífugos constan esencialmente de: caja, volutas, rodetes
impulsores, un eje y un sistema de lubricación.
Las
volutas convierten la energía cinética del gas desarrollada por los impulsores
en energía potencial o presión. La caja es la cubierta en que van ajustadas las
volutas y esta proyectada para la presión a la que se ha de comprimir el gas.
La
caja se construye adaptándola a la aplicación particular y puede ser de hierro colado, acero estructural o fundición de acero.
La compresión de un gas en un compresor
centrífugo requiere con frecuencia un medio de ocluir el gas para evitar su
fuga a la atmósfera o su contaminación.
Existen
varios tipos de oclusores:
1. el
de cierre mecánico con anillo de carbón
2. el
gas inerte
3. el
directo de aceite en el cojinete del compresor y los de gasto de aceite
Todos
están diseñados principalmente como cierre de funcionamiento y no de paro.
Los
compresores centrífugos se utilizan para una gran variedad de servicios,
incluyendo
1. enfriamiento
y desecación,
2. suministro
de aire de combustión a hornos y calderas,
3. sopladores
de altos hornos, cúpulas y convertidores,
4. transporte
de materiales sólidos,
5. procesos
de flotación,
6. por
agitación y aireación, por ventilación,
7. como
eliminadores y para comprimir gases o vapor
B) Compresor
Axial
El
compresor axial se desarrollo para utilizarse con turbinas de gas y
posee diversas ventajas para servicios en motores de reacción de la aviación.
Su aceptación por la industria para instalaciones estacionarias fue
lenta; pero se construyeron varias unidades de gran capacidad para altos
hornos, elevadores de la presión de gas y servicios en túneles aerodinámicos.
En
los compresores de este tipo, la corriente de aire fluye en
dirección axial, a través de una serie de paletas giratorios de un motor y de
los fijos de un estator, que están concéntricos respecto al eje de rotación. A
diferencia de la turbina, que también emplea los paletas de un motor y los de
un estator, el recorrido de la corriente de un compresor axial va disminuyendo
de área de su sección transversal, en la dirección de la corriente en
proporción a la reducción de volumen del aire según progresa la compresión de
escalón a escalón.
Una
vez suministrado el aire al compresor por el conducto de admisión, pasa la
corriente a través de un juego de paletas directores de entrara, que preparan
la corriente para el primer escalón de del compresor. Al entrar en el grupo de paletas giratorios, la corriente de
aire, que tiene una dirección general axial se defecta en la dirección de la
rotación. Este cambio de dirección de la corriente viene
acompañado de una disminución de la velocidad, con la consiguiente elevación de
presión por efecto de difusión. Al pasar la corriente a través del otro grupo
de paletas del estator se lo para y endereza, después de lo cual es recogida
por el escalón siguiente de paletas rotatorios, donde continúa el proceso de
presurización.
Un
compresor axial simple puede estar constituido teóricamente por varias etapas
según sea necesario, pero esto puede producir que a determinadas velocidades las
ultimas etapas funcionen con bajo rendimiento y las primeras etapas trabajen
sobrecargadas. Esto puede ser corregido ya sea con extracción de aire entre
etapas o se puede conseguir mucha mayor flexibilidad y rendimiento partiendo el
compresor en dos sistemas rotatorios completamente independientes
mecánicamente, cada uno arrastrado por su propia turbina. El compresor de alta
tiene paletas más cortos que el de baja y es mas ligero de peso. Puesto que el
trabajo de compresión de compresor de alta trabaja a mayor temperatura que el
de baja se podrán conseguir velocidades mas altas antes de que las puntas de
los paletas alcancen su número de Mach límite, ya que la velocidad del sonido aumento a mayor temperatura. Por
consiguiente el compresor de alta podrá rodar a mayor velocidad que el de baja.
El
aire al salir del compresor pasa a través de un difusor que lo prepara para
entrar a la cámara de combustión.
VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS COMPRESORES
- Compresores Alternativos
El
uso de lubricantes en los compresores alternativos el causante de sus
principales ventajas y desventajas.
Un
compresor lubricado durara mas que uno que no lo esta. Hay que tener cuidado de
no lubricar en exceso, porque la carbonización del aceite en las válvulas puede
ocasionar adherencias y sobrecalentamiento. Además, los tubos de descarga
saturados con aceite son un riesgo potencial de incendio, por lo que se debe
colocar corriente abajo un separador para eliminar el aceite. Los problemas más
grandes en los compresores con cilindro lubricado son la suciedad y la humedad,
pues destruyen la película de aceite dentro del cilindro.
En
los compresores sin lubricación la suciedad suele ser el problema mas serio, y
hay otros problemas que puede ocasionar el gas en si. Por ejemplo, un gas
absolutamente seco puede ocasionar un severo desgaste de los anillos.
- Compresores Rotatorios
El
diseño de anillo de agua tiene la ventaja de que el gas no hace contacto con
las partes rotatorias metálicas. Los aspectos críticos son la presión de vapor
del gas de entrada, comparada con la presión de vapor del liquido que forma el
anillo de agua y el aumento de temperatura en el mismo. La presión de vapor del
fluido para sellos debe ser muy inferior al punto de ebullición, porque de otra
forma se evaporara el anillo de agua, ocasionara perdida de capacidad y quizás
serios daños por sobrecalentamiento.
- Compresores Centrífugos
*Ventajas
1. En
el intervalo de 2.000 a 200.000 ft3/min., y según sea la relación de
presión, este compresor es económico porque se puede instalar en una sola
unidad.
2. Ofrece
una variación bastante amplia en el flujo con un cambio pequeño en la carga.
3. La
ausencia de piezas rozantes en la corriente de compresión permite trabajar un
largo tiempo entre intervalos de mantenimiento, siempre y cuando los sistemas
auxiliares de aceites lubricantes y aceites de sellos estén correctos.
4. Se
pueden obtener grandes volúmenes en un lugar de tamaño pequeño. Esto puede ser
una ventaja cuando el terreno es muy costoso.
5. Su
característica es un flujo suave y libre de pulsaciones.
*Desventajas
1. Los
compresores centrífugos son sensibles al peso molecular del gas que se
comprime. Los cambios imprevistos en el peso molecular pueden hacer que las
presiones de descarga sean muy altas o muy bajas.
2. Se
necesitan velocidades muy altas en las puntas para producir la presión. Con la
tendencia a reducir el tamaño y a aumentar el flujo, hay que tener mucho mas
cuidado al balancear los motores y con los materiales empleados en componentes
sometidos a grandes esfuerzos.
3. Un
aumento pequeño en la caída de presión en el sistema de proceso puede ocasionar
reducciones muy grandes en el volumen del compresor.
4. Se
requiere un complicado sistema para aceite lubricante y aceite para sellos.
- Compresores Axiales
La
alta eficiencia y la capacidad mas elevada son las únicas ventajas importantes
que tienen los compresores de flujo axial sobre las maquinas centrífugas, para
las instalaciones estacionarias. Su tamaño y su peso menores no tienen mucha valor, tomando en cuenta, sobre todo, el hecho
de que los precios son comparables a los de las maquinas
centrífugas diseñadas para las mismas condiciones. Las desventajas incluyen una
gama operacional limitada, mayor vulnerabilidad a la corrosión y la erosión y
propensión a las deposiciones.
