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Universidad Nacional Experimental
Francisco de Miranda
Complejo Académico El Sabino
Programa de Ingeniería Industrial
Unidad curricular: Equipos máquinas e instalaciones industriales
Prof. Ing. Caracciolo Gómez. MSc.
TEMA IV. COMPRESORES
1. Introducción.
La tecnología del aire comprimido y gases, por muy estática que parezca, se
encuentra en constante evolución. Los compresores o las bombas de vacío,
tienen su aplicación en cientos de industrias y procesos, por lo que las
alternativas y la capacidad de adaptación de los diseños de los fabricantes son
múltiples. Lo que se conoce habitualmente como un compresor de gases,
comprende una serie de máquinas con diferentes estructuras y diseños. Los
compresores pueden ser usados para aumentar la presión o flujo de un gas
(aire, amoniaco, GNC, nitrógeno, CO2, entre otros) en talleres, restaurante,
planta procesadora pequeña) y a veces en el bombeo de gasoductos,
embotelladoras de gaseosas o cerveza, sopladores de bolsas y envases
plásticos, entre otros.) El uso para aumentar presión puede ser para uso directo
como inflar neumáticos, limpiar piezas, desempolvar o para accionar algún
equipo como sistema de lubricación neumática, equipos de perforación,
válvulas de control. Cada tipo de compresor tiene ventajas para aplicaciones
específicas, y los materiales utilizados en su construcción son compatibles con
ciertos gases y/o aceites, limitando su intercambiabilidad. Los compresores en
general son similares a bombas que utilizamos para bombear líquidos. Por lo
que en general los líquidos no pueden ser comprimidos utilizando un equipo
similar al compresor La bomba aumenta presión o flujo en una relación directa.
2. Definición.
Los compresores son máquinas que tienen por finalidad aportar una energía a
los fluidos compresibles (gases y vapores) sobre los que operan, para hacerlos
fluir aumentando al mismo tiempo su presión. En esta última característica
precisamente, se distinguen de los soplantes y ventiladores que manejan
grandes cantidades de fluidos compresibles (aire por ejemplo) sin modificar
sensiblemente su presión, con funciones similares a las bombas de fluidos
incompresibles. Un compresor admite gas o vapor a una presión p1 dada,
descargándolo a una presión p2 superior. La energía necesaria para efectuar
este trabajo la proporciona un motor eléctrico o una turbina de vapor. Puede
decirse también que es un instrumento mecánico que reduce el volumen
ocupado por un gas (aire) a través de cierta presión ejercida sobre él. Se
obtiene esta presión mediante un trabajo mecánico aportado que reciben los
elementos que componen el compresor, para así dar cumplimiento a su
funcionamiento.
Entre la importancia y uso de los compresores están:
Alimentar la red de aire comprimido para instrumentos.
Proveer de aire para combustión.
Recircular gas a un proceso o sistema
Producir condiciones idóneas para que se produzca una reacción química.
Producir y mantener niveles de presión adecuados por razones de proceso
de torres.
Alimentar aire a presión para mantener algún elemento en circulación.
3. Clasificación.
Por su aplicación principal se podrían dividir en cinco grupos:
Compresores: Diseñados para comprimir gases a cualquier presión, por
encima de la presión atmosférica. En general, se habla de compresor cuando
se trabaja con presiones superiores a los 3 bar.
Ventiladores: Máquinas diseñadas para comprimir gases a presiones muy
bajas, cercanas a la presión atmosférica. De hecho, los ventiladores apenas
incrementan la presión unos gramos sobre la atmosférica.
Soplantes: Compresores que trabajan a baja presión. Deberían estar
incluidos dentro del mismo grupo que los compresores, pero se diferencian
para evitar confusiones. Las presiones de estos equipos son superiores a las
de los ventiladores, pero se considera que están por debajo de los 3 bar.
Bombas de vacío: Son también compresores, pero su trabajo no está
pensado para comprimir el aire, sino para aspirarlo de un recipiente o sistema,
bajando la presión a valores por debajo de 1 atmósfera. Las bombas de vacío
también se pueden usar como un compresor, pero en aplicaciones muy
específicas y con valores de presión muy bajos.
Compresores booster: Son un tipo de compresores que trabajan con una
presión en la aspiración, superior a la atmosférica. Suelen instalarse en
combinación con un compresor tradicional, para elevar la presión final de éste.
Sin embargo, la principal clasificación de los diferentes tipos de compresores
se realiza por su principio de funcionamiento básico. En este caso, los
compresores quedan divididos en:
Alternativos (de simple o de doble efecto y de una o dos etapas).
Centrífugos (de varias etapas).
Rotativo (de tornillo).
3.1. Alternativos o de desplazamiento positivo.
Los compresores alternativos son máquinas de desplazamiento positivo en las
cuales sucesivas cantidades de gas quedan atrapadas dentro de un espacio
cerrado y, mediante un pistón, se eleva su presión hasta que se llega a un valor
de la misma que consigue abrir las válvulas de descarga. El elemento básico
de compresión de los compresores alternativos consiste en un solo cilindro en
el que una sola cara del pistón es la que actúa sobre el gas (simple efecto).
Existen unidades en las que la compresión se lleva a cabo con las dos caras
del pistón (doble acción), actuando de la misma forma que si tuviéramos dos
elementos básicos de simple efecto trabajando en paralelo dentro de una
misma carcasa.
El ciclo de trabajo del compresor se divide en cuatro etapas (Ver figura 1) que
son:
Comienzo de la compresión: El cilindro se encuentra lleno de gas.
Etapa de compresión: El pistón actúa sobre la masa de gas reduciendo su
volumen original con un aumento paralelo de la presión del mismo. Las
válvulas del cilindro permanecen cerradas.
Etapa de expulsión: Justo antes de completar la carrera de compresión la
válvula de descarga se abre (2). El gas comprimido sale del cilindro, debido a
su propia presión, a través de la válvula de descarga. Antes de alcanzar el final
de carrera (3) la válvula de descarga se cierra dejando el espacio libre del
cilindro lleno de gas a la presión de descarga.
Etapa de expansión: Durante esta etapa tanto la válvula de descarga como
la de entrada permanecen cerradas. El pistón comienza la carrera de retroceso
pasando de (3) a (4), el gas contenido dentro del cilindro sufre un aumento de
volumen con la que la presión interior del sistema se reduce. Antes de llegar al
punto (4) la válvula de admisión al cilindro se abre.
Etapa de admisión: El pistón durante esta etapa retrocede provocando una
depresión en la interior del cilindro que es compensada por la entrada de gas
fresco a través de la línea de admisión. Justo antes de llegar al punto inferior
de la carrera la válvula de admisión se cerrará, volviendo al estado A) con lo
que comienza un nuevo ciclo.
Figura 1. Etapas del ciclo de trabajo del compresor
Este tipo de compresores usa válvulas de tipo automático accionadas por
resortes, que abren solamente cuando existe la suficiente presión diferencial
sobre la misma. Las válvulas de admisión abren cuando la presión dentro del
cilindro es ligeramente inferior a la presión de entrada del gas. Las válvulas de
escape abren cuando la presión en el cilindro es ligeramente superior a la
presión en la línea de descarga. En ciertas aplicaciones se hacen necesario el
empleo de altas relaciones de compresión (relación entre la presión absoluta
de admisión del gas y la presión absoluta del gas en la descarga) haciendo
complicado el verificar la compresión en una sola etapa debido a la alta
temperatura alcanzada por el gas en la descarga.
Así se hace necesario recurrir a combinar en serie varios elementos básicos de
compresión configurando así una unidad multietapa, en la que la compresión
del gas se verificará en dos o más pasos. El gas normalmente se refrigera
entre etapas con objeto de reducir su temperatura y volumen antes de entrar en
la siguiente etapa. Cabe hacer notar que cada etapa está constituida por un
compresor en sí mismo. Este se dimensiona para operar en serie con uno o
más elementos compresores básicos y aunque todos ellos pueden estar
alimentados de una misma fuente de energía, siguen siendo compresores
separados.
3.1.1 Características:
El compresor alternativo es uno de los tipos que mayor rendimiento alcance
en la mayoría de las aplicaciones. Adicionalmente se le puede dotar de un
sistema de control de carga con objeto de mantener su rendimiento a carga
parcial.
La práctica totalidad de los gases comerciales pueden tratarse con este tipo
de compresor, al no presentar problemas con gases corrosivos.
Los cilindros de compresión son generalmente del tipo lubricado, aunque si
la necesidades del proceso lo requieren se puede ir a un tipo no lubricado.
En compresores donde la relación de compresión es muy elevada, la
compresión se realiza en varios pasos. De esta forma se pretende reducir el
perfil de temperatura del sistema, consiguiendo un mejor control del mismo.
Con el objeto de compensar las fuerzas de inercia de los pistones y otros
elementos móviles que provocan vibraciones en el equipo, se instalan sistemas
de equilibrado del equipo, tales como volantes de inercia, cigüeñales
contrarrotantes, etc.
Los compresores alternativos deben ser alimentados con gas limpio,
recomendándose el uso de filtros en la alimentación. No permiten trabajar con
gases que puedan arrastrar gotas de líquido con ellos, aunque sí con
vaporizado siempre que no exista el riesgo de condensación dentro del cilindro.
La presencia de líquido dentro del cilindro es peligrosa para el equipo, ya que al
ser incompresible el cigüeñal de la máquina puede resultar dañado al intentar
hacerlo. Adicionalmente la lubricación de las paredes del cilindro puede ser
destruida por el líquido que pudiera entrar en él. Para solucionar el problema en
la alimentación al compresor se instalan depósitos K.O: Drum o separadores de
gotas, en los que se retira el posible contenido líquido que pudiera arrastrar el
gas de alimentación.
Los compresores alternativos suministran un flujo pulsante de gas. En
algunas aplicaciones esto es contraproducente por lo que se dispone de Este
problema se soluciona disponiendo a la salida del compresor un depósito
antipulsante, en el que se atenúan las variaciones de presión en el flujo.
3.1.2 Elementos principales:
En un compresor alternativo existe gran cantidad de elementos, de los que sólo
se presentarán los más generales.
Los cilindros: Dependiendo del tipo de compresor, éstos pueden ser de
simple o doble efecto, según se comprima el gas por una o las dos caras del
pistón. Pueden existir, además, uno o varios cilindros por cada una de las
etapas que tenga el compresor. La hermeticidad durante la compresión se
mantiene gracias a la acción de los segmentos del pistón. Estos elementos
consistirán en unos finos aros metálicos abiertos ubicados en la pared del
cilindro, dentro de unas pequeñas hendiduras dispuestas para tal fin. El
segmento por su diseño se encontrará haciendo presión en todo momento
contra la pared cilindro minimizando así las pérdidas perimetrales
proporcionando la hermeticidad requerida en el equipo.
Las válvulas: Las válvulas son mecanismos automáticos colocados en la
aspiración e impulsión de cada uno de los cilindros que permiten el flujo del gas
en una sola dirección, bien sea hacia dentro del cilindro (aspiración), bien hacia
fuera del mismo (impulsión). Estos mecanismos actúan por diferencia de
presión, aunque en ciertas. condiciones pueden ser ayudadas por resortes.
Sistemas de lubricación: Los compresores alternativos poseen dos
circuitos diferentes de lubricación:
— Del cárter: Lubricación de la zona donde se ubica el cigüeñal del
compresor. Este elemento se encargará de transformar el movimiento rotativo
del motor que mueve el compresor en el movimiento lineal de los pistones.
— De cilindros y estopadas, mediante sistema de goteo.
Sistema de filtros: Resulta de vital importancia para el correcto
funcionamiento de los compresores que los filtros estén dentro de las
condiciones de trabajo de los mismos. Por ello es necesario vigilar que las
pérdidas de carga en los filtros estén dentro de las establecidas, pues de lo
contrario implica que el filtro está sucio con la consiguiente pérdida de
eficiencia del mismo y del propio compresor disminuyendo su aspiración.
3.1.3. Tipos.
De pistón: En este tipo de compresores, el aire es aspirado al interior de un
cilindro, por la acción de un pistón accionado por una biela y un cigüeñal. Ese
mismo pistón, al realizar el movimiento contrario, comprime el aire en el interior
del mencionado cilindro, liberándolo a la red o a la siguiente etapa, una vez
alcanzada la presión requerida. Los compresores de pistón pueden ser
lubricados o exentos de aceite. En el caso de los compresores exentos, la
cámara de aspiración y compresión queda aislada de cualquier contacto con
el lubricante del compresor, trabajando en seco y evitando que el aire
comprimido se contamine con los lubricantes del equipo (Ver figura 2).
Figura 2. Compresor de Pistón
Paletas: Otro diseño dentro de los compresores de desplazamiento positivo
(Ver figura 3), es el de los equipos que usan un rotor de paletas. El sistema
consiste en la instalación de un rotor de paletas flotantes en el interior de una
carcasa, situándolo de forma excéntrica a la misma, durante el giro del rotor,
las paletas flotantes salen y entran desde su interior, formando unas cámaras
entre rotor y carcasa, que se llenan con el aire. Al estar situado el rotor en una
posición excéntrica al eje central de la carcasa, las cámaras van creciendo en
la zona de aspiración, llegando a producir una depresión que provoca la
entrada del aire. Según se desplazan con el giro del rotor, las cámaras se van
reduciendo hacia la zona de impulsión, comprimiendo el aire en el interior.
Figura 3. Compresor de Paletas
Lóbulos o émbolos rotativos: El principio de funcionamiento está basado
en el giro de dos rotores de lóbulos en el interior de la carcasa (Ver figura 4).
Los rotores giran de forma sincronizada y en sentido contrario, formando entre
ellos unas cámaras en las que entra el aire. En este caso, los lóbulos se limitan
a desplazar el aire, consiguiendo aumentar la presión en función de la
contrapresión con la que se encuentran en la salida del equipo. Esta
contrapresión viene dada por las pérdidas por rozamiento y las necesidades de
presión del sistema con el que trabaja. Estos compresores son muy usados
como soplantes, es decir, compresores de baja presión.
En este tipo de compresores, los rotores pueden ser bilobulares o trilobulares.
También existe una ejecución similar que utiliza unos rotores de uña. El
funcionamiento es el mismo que el explicado anteriormente, pero en este caso,
por la forma especial de los rotores, la cámara de impulsión reduce su espacio
para incrementar la presión del aire. Estos compresores consiguen elevar la
presión a valores superiores a 7 bar.
Figura 4. Compresor de embolo rotativo
Compresores scroll: Otra tecnología dentro del grupo de desplazamiento
positivo, es la de los compresores tipo scroll. No son equipos muy conocidos,
pero tienen una aplicación típica en las aplicaciones exentas de aceite. Estos
compresores tienen un desplazamiento que se denomina orbital. La
compresión se realiza por reducción de volumen. El conjunto compresor está
formado por dos rotores con forma espiral. Uno de ellos es fijo en la carcasa y
el otro es móvil, accionado por el motor. Están montados con un desfase de
180º, lo que permite que en su movimiento se creen cámaras de aire cada vez
más pequeñas. (Ver figura 5)
Figura 5. Compresor Scroll
Bombas de vacío: Las bombas de vacío son también equipos de
desplazamiento positivo. Muchos de sus diseños son usados indistintamente
como compresores o como bombas de vacío. Existen bombas de vacío de
pistón, tornillo, paletas o lóbulos. El funcionamiento de todas ellas es similar al
de su compresor homólogo, pero con la característica de que están pensadas
para aspirar del interior de un recipiente o red y no para comprimir el aire o gas
que aspiran. Como caso más excepcional, se destaca el diseño de las bombas
de vacío de anillo líquido en estos equipos hay un rotor de paletas fijas,
instalado de forma excéntrica en la carcasa de la bomba. En el interior de la
carcasa, hay un fluido que generalmente es agua. Cuando el rotor gira a su
velocidad nominal, la fuerza centrífuga que ejerce sobre el fluido, hace que éste
se pegue a las paredes internas de la carcasa, formando con las paletas del
rotor unas cámaras de aspiración y compresión, cuyo funcionamiento es similar
al del compresor de paletas. (Ver figura 6 y 7)
Figura 6. Bombas de vacío
Figura 7. Bomba de vacío de anillo líquido de FLOWSERVE SIHI.
3.2 Centrífugos o Dinámicos:
Compresores centrífugos radiales: A este grupo pertenecen los
compresores centrífugos tradicionales. En estos equipos, el aire entra
directamente en la zona central del rotor, guiado por la campana de aspiración.
El rotor, girando a gran velocidad, lanza el aire sobre un difusor situado a su
espalda y es guiado al cuerpo de impulsión. En la figura 8 se muestra la
sección de un compresor centrífugo de levitación neumática de BOGE. En
dicha sección, se aprecian con claridad las dos etapas de compresión donde se
encuentran alojados los rotores. En estos compresores, el aire entra
directamente por la campana de aspiración (1) hacia el rotor (2) y difusor (3),
saliendo a la siguiente etapa o a la red por la voluta (4).
Figura 8. Sección de un compresor centrífugo de levitación neumática de
BOGE
Otro ejemplo se puede ver en la figura 9 que es la sección de una soplante
centrífuga de SULZER, donde se aprecia con detalle el rotor centrífugo
instalado en el extremo del eje.
Figura 9.Sección de una soplante centrífuga de SULZER
Un turbocompresor tradicional puede ser un equipo con dos o más etapas de
compresión. Entre cada etapa, están instalados unos refrigeradores diseñados
para reducir la temperatura de compresión antes de que el aire llegue al
siguiente rotor. En la figura 10 se aprecia un turbocompresor de INGERSOLL
RAND, montado sobre una bancada común al motor, refrigeradores y cuadro
de control.
Figura 10. Turbocompresor de INGERSOLL RAND
Los turbocompresores suelen ser equipos pensados para grandes caudales,
aunque en los últimos años, los fabricantes se han esforzado para diseñar
equipos de tamaños reducidos y caudales más pequeños. Con estas premisas,
ha aparecido una nueva generación de compresores centrífugos de levitación
magnética o de levitación neumática.
Compresores centrífugos axiales: Estos equipos son menos comunes en
la industria. Se diferencian de los anteriores en que el aire circula en paralelo al
eje. Los compresores axiales están formados por varios discos llamados
rotores. Entre cada rotor, se instala otro disco denominado estator, donde el
aire acelerado por el rotor, incrementa su presión antes de entrar en el disco
siguiente. En la aspiración de algunos compresores, se instalan unos álabes
guía, que permiten orientar la corriente de aire para que entre con el ángulo
adecuado. En la figura 11 se puede ver un compresor axial de MAN, que
trabaja en combinación con una etapa radial, donde se incrementa la presión a
valores superiores. En general, todos los compresores descritos en los
diferentes grupos, se pueden adaptar a múltiples aplicaciones o normativas,
como API o ATEX. Los fabricantes añaden elementos adicionales para que
cada equipo pueda trabajar en diferentes aplicaciones o estar equipados con
los accesorios que el usuario final pueda requerir.
Figura 11. Compresor axial de MAN
3.3. Tornillo.
La tecnología de los compresores de tornillo se basa en el desplazamiento del
aire, a través de las cámaras que se crean con el giro simultáneo y en sentido
contrario, de dos tornillos, uno macho y otro hembra. El aire llena los espacios
creados entre ambos tornillos, aumentando la presión según se va reduciendo
el volumen en las citadas cámaras. El sentido del desplazamiento del aire es
lineal, desde el lado de aspiración hasta el lado de presión, donde se encuentra
la tobera de salida. En la figura 12 se ve la sección de un conjunto rotórico,
donde se pueden apreciar los tornillos en el interior de la carcasa.
Figura 12. Sección de un conjunto rotórico
Este tipo de tecnología se fabrica en dos ejecuciones diferentes, compresores
de tornillo lubricado y compresores de tornillo exento. La diferencia entre
ambos estriba en el sistema de lubricación. En el compresor de tornillo
lubricado, se inyecta aceite en los rotores para lubricar, sellar y refrigerar el
conjunto rotórico. Este tipo de compresor es el más habitual en la industria,
debido a que en la mayoría de las aplicaciones, el residual de aceite que queda
en la línea de aire comprimido no es un obstáculo para el proceso. En la figura
13 se puede ver un compresor de tornillo lubricado de KAESER.
Figura 13. Compresor de tornillo lubricado de KAESER.
La ejecución de compresores exentos de aceite requiere de un diseño más
complejo que en el caso anterior, debido a que no se puede inyectar aceite en
el interior de los rotores. En este tipo de compresores, se busca suministrar aire
sin contaminar por el aceite de lubricación. Esto no quiere decir que no
requieran de lubricación, sino que entre los rotores no se inyecta lubricante
alguno, haciendo que estos elementos trabajen en seco. Para el proceso de
compresión a presiones superiores a 3 bar, se requiere de la instalación de dos
unidades compresoras que trabajen en serie, accionadas por una caja de
engranajes común. Como se puede ver en la figura 14 correspondiente a un
compresor de tornillo exento de BOGE, ambos conjuntos rotóricos están
conectados a un único motor por la citada caja de engranajes.
Figura 14. Compresor de tornillo exento de BOGE
Figura 15. Esquema generalizado de tipos de compresores.
