COMPRESORES: TIPOS Y CLASIFICACIÓN

COMPRESORES: TIPOS Y CLASIFICACIÓN

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 máquinas de alta presión, mientras que los ventiladores y suplantes 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 llamados compresibles, tal como lo son los 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 substancia 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.

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 pérdidas 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 empacadoras 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 (monofásicas y trifásicas) 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 máquina 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 uni fase, pero se utiliza con más 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 carcasa.

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 está 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 centrífuga 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 diésel 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 carcasa; 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 son 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 más baja

2.     La presión de admisión más baja

3.     La temperatura máxima de admisión

4.     La razón más 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 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 está 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 giratorias 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 las 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 entrada, 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 últimas 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 más 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 más 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 más que uno que no lo está. 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 más serio, y hay otros problemas que puede ocasionar el gas en sí. 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 líquido 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 pérdida 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 más 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 más 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.