Antes de entrar en detalle con estos equipos
rotativos quisiera dejarles el concepto del mismo.
Un compresor es
una máquina de fluido que está construida para aumentar
la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles,
tal como gases y los vapores. Esto 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 sustancia que pasa por él
convirtiéndose 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.
Ademas de los compresores como equipos
rotativos, quisiera reseñar en este post también la existencia de lo que se
denomina compresores dinámicos con gran utilidad dentro de la industria
petrolera.
COMPRESORES DE AIRE
Existe una gran diversidad de equipos
para la compresión de aire y otros gases, los principales tipos de compresores,
clasificados según su principio de funcionamiento, serán descriptos a
continuación
Compresores de desplazamiento positivo
Son unidades donde el incremento de
presión se logra introduciendo un volumen de gas en espacio determinado, que
posteriormente es reducido por medios mecánicos.
Los compresores de desplazamiento
positivo se dividen a la vez en dos grupos, los reciprocantes y los
rotativos
* Compresores reciprocantes
Son los más antiguos y conocidos entre los compresores de
desplazamiento positivo.
En estos equipos el elemento principal de compresión es un
pistón que se mueve alternativamente dentro de un cilindro, lográndose así la
reducción del volumen del gas a comprimir.
Los compresores de pistón pueden ser se simple o doble
efecto, según si una o ambas caras del pistón realicen compresión sobre el
fluido.
Los de simple efecto comprimen el aire en la parte superior
del cilindro y normalmente son del tipo entroncado.
Los de doble efecto requieren una acople mediante crucetas,
para procurar que el movimiento de vástago sea lineal, con lo cual puede
lograrse una reducción en el largo del pistón, creándose dos cámaras de
compresión: una por arriba y otra por abajo del mismo.
Los compresores reciprocantes pueden ser además lubricados o
no lubricados; estos últimos tienen anillos de politetrafluoretileno (PTFE)
auto-lubricados. Los compresores no lubricados del tipo entroncado tienen
carcaza seca, con rodamientos de engrase permanente, mientras que los de
cruceta tienen la biela más larga de forma que su parte lubricada no entre en
la cámara de compresión.
Los compresores reciprocantes normalmente tienen válvula
auto-accionadas las cuales abren y cierran según la diferencia de presión que
exista a través de ellas.
Los compresores alternativos son los equipos de compresión
más usados; poseen un alto rango de tamaños y tipos diferentes, su potencia
varía desde fracciones de hp hasta unidades de más de 12.000 hp, con rangos de
presión desde menos de uno hasta más de 4000 bar.
Otra ventaja de estos equipos, es que son más eficientes para
la mayoría para la mayoría de las aplicaciones, pudiendo ser instalados con
equipos de control de capacidad para mantener se eficiencia a cargas parciales.
Debido al movimiento reciprocante de los pistones y a otras
partes rodantes desbalanceadas, las fuerzas de inercia tienden a desbalancear
la unidad; por ello es necesario emplear alguna base o función que establece la
instalación.
La aplicación de este requerimiento depende del tipo y tamaño
del compresor.
Dadas las características de funcionamiento de este tipo de
compresores, el flujo del aire que ellos entregan no es continuo sino pulsante,
lo que representa una desventaja.
Sin embargo, ello puede minimizarse utilizando un
amortiguador de pulsaciones.
A continuación daremos un trato especial a algunos
compresores reciprocantes debido a sus características muy particulares.
Compresores de
pistón libre
Se trata de un arreglo especial, en donde el compresor se
encuentra integrado a un motor diesel de manera tal que no existe conexión
mecánica alguna. En principio, se trata de un diseño sencillo, pero en la
práctica, el diseño es sumamente complicado debido a la necesidad de
sincronismo de los pistones, y de un sistema de arranque.
El principio de operación de estos equipos es el siguiente:
Haciendo uso del aire comprimido se logra el movimiento hacia
adentro de los dos pistones, comprimiéndose el aire contenido en la cámara de
combustión. Cuando los pistones se encuentran cerca del punto muerto
inferior, se inyecta el combustible, produciéndose la combustión por efecto de
la temperatura.
Al incrementarse bruscamente la presión en la cámara de
combustión, los pistones son forzados hacia fuera, obteniéndose la compresión
del aire en las cámaras de compresión.
Compresor tipo laberinto
Este es un tipo especial de compresor de desplazamiento
positivo que trabaja sin anillos en el pistón y suministra aire excento de aceite.
El sello entre el pistón y el cilindro se logra con una serie
de laberintos . Los pistones en su superficie llevan mecanizada una rosca cuyas
crestas crean remolinos de aires que bloquean las fugas,
Estas fugas internas son mucho mayores y las R.P.M. menores
que en los compresores que emplean anillos en el pistón, por lo que solo se
recomienda este tipo de unidad debido a su capacidad de ofrecer aire
absolutamente libre de aceite
Compresores de diafragma
Este es un tipo de compresor libre de aceite, en donde el
elemento principal de composición es una membrana flexible en lugar de un
pistón.
El diafragma membrana puede ser adecuado mecánicamente o
hidráulicamente.
En el primer caso el movimiento de la membrana se logra
directamente a través de una varilla que conecta la membrana con el cigüeñal.
En el segundo, el acople se hace por medio de un fluido tal como aceite, fluoro
carbonos inertes o agua jabonosa.
La presión hidráulica alternativa, que origina el movimiento
de la membrana es producida por una bomba de pistón.
** Compresores rotativos
Compresores de aletas
Son máquinas que tienen aletas dispuestas en ranuras axiales
sobre un rotor montado excéntricamente dentro de una carcaza cilíndrica.
El principio de funcionamiento de estos compresores es el
siguiente:
Cuando el rotor gira las aletas se pegan contra la carcaza
por acción de la fuerza centrifuga, sellándose así el especio entre dos aletas
consecutivas.
El aire entra al compresor cuando el volumen entre dos
aletas es máximo; luego a medida que el rotor gira, el volumen decrece por
efecto de la excentricidad. El aire se comprime a medida que es desplazado
hasta la descarga.
Este principio de funcionamiento es también utilizado en los
motores de aire, pero de manera inversa.
Actualmente existen compresores de aletas lubricados (con
inyección de aceite) o exentos de aceite, con aletas de PTFE, carbón o
baquelita.
Compresores de anillo líquido
Son compresores exentos de aceite y sin válvulas, con
relación de compresión fija.
Este tipo de compresores están constituidos por un rotor con
alabes fijos, montados excéntricamente dentro de una cámara circular, de manera
similar a los compresores de aletas deslizantes.
El cilíndrico está parcialmente lleno de un líquido que
durante el funcionamiento y por la acción de la fuerza centrifuga, es
proyectado contra las paredes del cilindro, formándose un anillo líquido que
presenta respecto al rotor, la misma excentricidad que la carcaza. La
compresión del gas se logra por la reducción del volumen entre dos álabes,
actuando el líquido como sello.
La refrigeración de estos compresores es directa,
debido el íntimo contacto entre el gas y el líquido, pudiéndose mantener la
temperatura de descarga muy próxima a la de entrada del líquido. Sin embargo,
el gas se encuentra saturado con el líquido del anillo, a la temperatura de
descarga.
El líquido por lo general es agua, aunque se puede utilizar
otro para la obtención de resultados específicos durante el proceso de
compresión, como por ejemplo la absorción de un constituyente del gas por el
líquido, o la protección del compresor contra ataques corrosivos de gases y
vapores activos.
El hecho de necesitar mantener un anillo líquido en constante
movimiento durante todo el tiempo de funcionamiento, aumenta muchísimo el
consumo de energía de este tipo de compresor.
Compresores de tornillo
Son máquinas donde los rotores helicoidales engranados entre
si y ubicados dentro de una carcaza, comprimen y desplazan el gas hacia la
descarga.
Los lóbulos de los dos rotores no son iguales; los ajustan en
las cavidades de la hembra o rotor conducido.
Los rotores pueden no tener el mismo número de lóbulos. Por
lo general el rotor principal tiene menos lóbulos y por ello opera a mayor
velocidad.
El principio de funcionamiento de estos compresores :
inicialmente el aire llena el espacio entre los dos lóbulos, y a medida que los
rotores giran, el volumen entre los rotores disminuye obteniéndose
progresivamente la compresión deseada.
La carencia de válvulas de aspiración y descarga, y la
inexistencia de fuerzas mecánicas desequilibradoras, hacen que el compresor del
tornillo pueda funcionar a elevadas velocidades.
En consecuencia, combina una elevada capacidad con reducidas
dimensiones. Los compresores de tornillos del tipo seco utilizan engranajes de
sincronización externos para los rotores macho y hembra. Al no a ver contacto
entre rotores ni entre estos y la carcaza, no se necesita ningún tipo de
lubricación dentro de la cámara de compresión. El aire suministrado es excento
de aceite.
Para mantener el rendimiento del compresor en pequeñas
capacidades se necesitan velocidades de eje muy elevadas. Sin embargo,
inyectando aceite en la cámara de compresión se pueden utilizar velocidades mas
reducidas.
El aceite inyectado cumple de 3 funciones:
• Cerrar las holguras internas.
• Enfriar el aire durante la compresión.
• Lubricar los rotores.
La lubricación interna hace posible prescindir de los
engranajes de sincronización. El aceite inyectado se recupera y recircula
después de la compresión. Debido a que la temperatura del aceite puede
mantenerse en un nivel bajo, se puede recuperar en la practica, todo el aceite.
La recuperación del aceite se realiza en 2 etapas En primer lugar en un separador
mecánico y a continuación en un filtro montado en el interior del depósito de
aire.
Por regla general de inyección se realiza utilizando la
presión del aire de descarga. Se emplea una válvula de presión mínima para
asegurar la presión en el aceite de inyección aunque la de salida descienda.
En la figura anterior puede apreciarse un compresor típico de
tornillos helicoidales, libres de aceites, en la cual los rotores macho y
hembra están cerrados en una carcaza común refrigerada por agua y soportados
sobre rodamientos
Estos compresores son maquinas de desplazamiento sin válvulas
de aspiración o descarga. Estos no producen compresión interna. La compresión
tiene lugar en un tanque posterior debido a las sucesivas entregas de aire.
Esto restringe su uso a sopladores y maquinas de baja
relaciones de compresión (aprox.2).
Usualmente operan como máquinas de una sola etapa, pero
pueden obtenerse versiones de 2 y 3 etapas.
El principio de funcionamiento se define como sigue:
2 rotores idénticos y usualmente simétricos giran en
direcciones opuestas, dentro de una carcaza cilíndrica impulsando continuamente
volúmenes iguales de aire. La carcaza del compresor no es lubricada y si
enfriamiento es por aire.
*** Compresores dinámicos
Son máquinas de flujo continuo en donde se transforma la
energía cinética (velocidad) en presión.
Eyectores
Podemos mencionar que el principal uso de los inyectores se a
dirigido hacia la compresión de gases desde una presión inferior a la
atmosférica hasta un valor ligeramente superior a esta.
Una variante a los inyectores son los eyectores en donde el
fluido principal y el secundario son diferentes. En muchas aplicaciones
industriales donde se dispone el vapor, este se utiliza como fluido principal
para comprimir aire u otros gases.
Compresores centrífugos
Compresores científicos radiales: en estos compresores el
flujo del gas es esencialmente radial.
Estos componentes están constituidos por uno o más rodetes y
un numero de pasajes divergentes fijos a la carcaza, denominados difusores, en
donde el fluido es desacelerado.
El principio de funcionamiento de estos compresores es el
siguiente:
El gas a ser comprimido entra por el centro de una rueda
giratoria provista con álabes radiales (rodete o impulsor) los cuales lanzan el
gas hacia la periferia mediante la fuerza centrifuga.
Antes de ser guiado el gas hacia el centro del siguiente
impulsor, se le hace pasar por un difusor que transforma la energía cinética en
presión.
La relación de compresión por etapas se determina en función
de los cambios de velocidad y densidad experimentados por el fluido.
Los compresores radiales se adaptan bien a la refrigeración
intermedia en cada etapa o a cada grupo de ellas, con lo cual el proceso se
hace más isotérmico con la consiguiente mejora de rendimiento. Los
refrigeradores son mas voluminosos debido a que estos compresores son muy
sensibles a la caída de presión.
Los compresores radiales por debajo de 4 bar de presión
efectiva, normalmente no se refrigeran.
Las velocidades de funcionamiento son altas en comparación
con otros compresores:
Las unidades comerciales operan en su mayoría a unas 20.000
revoluciones por minuto con fuerte tendencia a aumentar.
La capacidad mínima de un compresor centrifugo esta limitada
principalmente por el flujo de la última etapa.
El rendimiento de los compresores dinámicos a una presión de
trabajo de 7 bar no es mejor que los de desplazamiento positivo, excepto en
capacidades muy altas.
Compresores axiales
Estos compresores se caracterizan porque el flujo sigue la
dirección de su eje.
El compresor esta formado por filas alternadas de álabes
móviles y álabes fijos. Los álabes móviles se encuentran dispuestos radialmente
en su rotor, mientras que los fijos son solidarios al estotro.
Tanto los álabes fijos como los álabes móviles tienen forma
aerodinámica el conjunto de una fila de álabes móviles y otra de álabes fijos
es denominado “etapa”.
El principio de funcionamiento de estos equipos es el
siguiente: los álabes móviles imparten velocidad y presión al fluido al girar
el rotor, luego en los álabes fijos la velocidad es convertida en presión por
expansión, de manera similar a como ocurre en los compresores radiales.
El incremento de presión por etapa es por lo
general relativamente pequeño; por ello para obtener relaciones de compresión
altas, se requiere de un considerable número de etapas.
Mientras que los compresores radiales suministran
prácticamente flujo a presión constante dentro de un amplio rango de caudales,
los compresores axiales presentan una característica de caudal constante para
presiones variables.
Los compresores axiales, debido a su pequeño diámetro
funcionan a mayor velocidad que los radiales para un mismo trabajo.
Generalmente el incremento es de un 25%.
Con la excepción de los compresores utilizados en los motores
de aviación, la relación de compresión máxima para cada unidad queda limitada a
6.
Ello es debido a la dificultad de realizar la refrigeración
entre etapas. Normalmente son utilizadas para capacidades superiores a
65m3/seg. y presiones efectivas hasta el 14 bar. Algunas aplicaciones típicas
de los compresores axiales se muestran a continuación:
Manejo de aire
• Combustión para turbinas a gas.
• Túneles de viento.
• Altos hornos.
• Ventilación.
• Agitación de aguas residuales.
Manejo de otros gases.
• Craqueo catalítico.
• Enfriamiento del gas para reactores atómicos.
• Petroquímica.
• Transporte de gas natural.
Referencias:
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