Prof. Ing. Caracciolo Gómez. MSc. TEMA IV. COMPRESORES. 1. Introducción.

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1 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, CO 2, 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 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.

3 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) 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.

4 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

5 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 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.

6 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 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.

7 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 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).

8 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

9 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)

10 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

11 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

12 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.

13 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.

14 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

15 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.