Compresores Industriales

Introducción:

• Una de las formas para producir energía, más antiguas, seguras, económicas, eficientes, conocidas y utilizadas por el hombre desde la época de los griegos y hasta la actualidad es el AIRE COMPRIMIDO. Sus propiedades lo hacen versátil y adaptable a la mayoría de los procesos de automatización industrial.
• Muchas industrias utilizan el aire comprimido en sistemas de fluidos de potencia para mover equipos de producción, dispositivos de manejo de materiales y maquinaria autómatica.

Definición:

• Un compresor es aquella máquina dinámica que se encarga de elevar la presión de un fluido compresible (gas, vapor o mezcla de gases) a otra presión mas alta utilizando para ello la energía cinética de un rotor, la cual acciona un pistón o unas hélices helicoidales.
• Básicamente el compresor funciona por energía eléctrica suministrada al motor.

Principio de Funcionamiento:

• El compresor basa su principio de funcionamiento en la transformación de la energía generada por motor o de combustión, en energía mecánica y esta a su vez en energía neumática al comprimir el aire hasta una presión de trabajo preestablecida.

Importancia en la Industria:

Un compresor es una máquina capaz de elevar la presión del gas que maneja. En la industria la misión de los compresores es:

1. Alimentar la red de aire comprimido para instrumentos.
2. Proveer de aire para combustión.
3. Recircular gas a un proceso o sistema.
4. Producir condiciones idóneas para que se produzca una reacción química.
5. Producir y mantener niveles de presión adecuados por razones de proceso de torres.
6. Alimentar aire a presión para mantener algún elemento en circulación.

Fundamentos de Compresión Gaseosa:

El vapor alimentado entra en el pistón (punto B) y lo forza con su densidad hacia dentro del cilindro (punto C) originando que se produzca una repulsión del pistón a velocidad elevada produciendo el gas comprimido (punto D) salga con rapidez y mayor volumen depositándose en la válvula de descarga (punto A) para su posterior almacenamiento en el tanque. Y nuevamente empieza el ciclo o trabajo P-V.

Clasificación de Compresores:

1. Compresores Dinámicos 

El sistema de compresión dinámica convierte energía cinética (movimiento) en presión. Utiliza energía para desplazar, a alta velocidad, un determinado volumen de aire, que luego es bruscamente desacelerado; lo que aumenta la presión de la masa. Este tipo de compresor es ideal para obtener grandes volúmenes de aire a presiones de hasta 7 bar.

1.1. Eyectores.- El eyector a chorro de vapor es el aparato mas simple que hay para extraer el aire, gases o vapores de los condensadores y de los equipos que operan a vacío en los procesos industriales. Es un tipo simplificado de bomba de vacío o compresor, sin partes móviles, como válvulas, pistones, rotores, etc.

Una variante a los inyectores son los eyectores en donde el fluido principal y el  secundarios son diferentes. En muchas aplicaciones industriales donde se dispone el vapor, este se utiliza como fluido principal para comprimir aire u otros gases.

1.2. Flujo Axial.- El flujo del gas es paralelo al eje del compresor y conserva su sentido, se emplea para flujos más grandes que los centrífugos, poseen cierto número de etapas en serie. Se utilizan con mayor frecuencia en la industria petroquímica, de refinación y química, aplicaciones aeroespaciales y turbo-cargadores. 

 Las altas cargas resultantes de impulsos en el rotor, crean limitaciones para emplear compresores axiales en corrientes de gas de alta densidad.

 1.3. Centrífugos.- Rotodinámicos o turbomáquinas que incluyen bombas y ventiladores, son dispositivos dinámicos que intercambian de forma continua un momento angular entre un elemento rotatorio (rodete) y el flujo de vapores de refrigerante.

Proporcionan un caudal mayor que los compresores reciprocantes. Aplicaciones donde se requiere un trabajo continuo, como el caso de sistemas de ventilación, unidades de refrigeración, y otras que requieran mover grandes volúmenes de aire aumentando su presión mínimamente.

2. Compresores de Desplazamiento Positivo

Este tipo de equipos conocidos también como de flujo intermitente, poseen un sistema de compresión mediante el cual se obtiene presión alterando el volumen del aire atmósferico. 

Los compresores que conforman este grupo, concentran el aire en un recinto hermético, lo comprimen en un espacio de menor volumen y luego lo transportan a otro recipiente para almacenarlo. En este grupo se ubican los reciprocantes y los rotatorios.

2.1. Reciprocante o Alternativo.-  Los compresores Reciprocantes normalmente tienen válvulas 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 mas usados; poseen un alto rango de tamaños y tipos diferentes, su potencia varía desde fracciones de hp hasta unidades de más de 12000 hp, con rangos de presión desde menos de uno hasta más de 4000 bar.

2.2. 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 .

El principio de operación de estos equipos es el siguiente:

• Haciendo uso del aire comprimido se logra el movimiento hacia adentro del pistón, 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.

2.3. Compresores Rotatorios.- Son equipos que pueden manejar volúmenes de aire considerables (300 CFM) y presiones de trabajo de hasta 350psi, estos trabajan con dos rotores que giran en una carcasa y sus componentes están montados con holguras o tolerancias muy pequeñas que garantizan la compresión del aire con flujos axiales.

Están incluidos los compresores: tipos de lóbulos, espiral, aspas o paletas y anillos de líquido. Cada uno con una carcasa o con más elementos rotatorios que se acoplan entre sí, como: los lóbulos o las espirales. 

Con un ROTOR:

• Compresores de Aspas.- Son máquinas que tienen aletas dispuestas en ranuras axiales sobre un rotor montado exéntricamente dentro de una carcasa cilíndrica.

          El principio de funcionamiento de estos compresores es el siguiente:

          Cuando el rotor gira las aletas se pegan contra la carcasa por acción de la fuerza               centrífuga, sellándose así el espacio entre dos aletas consecutivas.

•  Compresores de Anillo Líquido.- Son compresores exentos de aceite y sin válvula, 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.

Con dos o más Rotores:

• Compresor de Tornillos.- El compresor de tornillos también es impulsado por motores. 

          El principio de funcionamiento de estos compresores:

          Inicialmente el aire llena el espacios entre los dos lóbulos, y a medida que los                   rotores giran, el volumen entre los rotores disminuye obteniéndose la compresión             deseada.

Mecánica de Compresores:

1. Funcionamiento Mecánico de los Compresores

• Hemos visto que los compresores son de dos tipos: De Flujo Continuo y De Flujo Intermitente, de altos volúmenes y de altas presiones de descarga.
• Los compresores herméticos o reciprocantes tienen un funcionamiento mediante el trabajo mecánico de un pistón. Los compresores herméticos son bombas de aire, los cuales son accionados por el cigüeñal, generalmente por una correa, pero en ocasiones, por una cadena o conjunto de engranajes que giran a grandes velocidades.
• Los compresores dinámicos o centrífugos poseen otro sistema particular de funcionamiento que se basa en la transformación de la energía cinética del motor y los alabes que son accionados por él mismo para generar presión elevada.

2. Principio de Funcionamiento de Compresores Reciprocantes

• Desde el punto de vista físico y mecánico, el funcionamiento de estos equipos es muy sencillo y se basa en el principio del desplazamiento del aire en cuatro tiempos: Admisión, Compresión, Descarga y Succión.

 3. Principio de Funcionamiento de Compresores Centrífugos

• El principio de operación de un compresor centrífugo es similar al de los ventiladores o bombas centrífugas.
• El vapor a baja presión y con baja velocidad, proveniente de la tubería de succión, se introduce en la cavidad interna u ojo de la rueda impulsora a lo largo de la dirección del eje del rotor.
• Una vez en la rueda, el vapor es forzado a salir radialmente hacia el exterior por la acción de los alabes del impulsor y por la fuerza centrífuga desarrollada en la rotación de la rueda.
• El vapor es descargado a una velocidad alta, habiendo experimentado así mismo un aumento de temperatura y presión.
• Cuando deja la periferia de la rueda es conducido a unos pasadizos situados en el cuerpo mismo del compresor, y que están esencialmente diseñadas para reducir la velocidad del vapor.

Selección de un Compresor:

¿Cómo elijo un COMPRESOR?

• No todos los tipos de compresores se fabrican en todas la gamas de presión y volumen. En la siguiente figura se indican, en una forma muy general, las capacidades de los compresores reciprocantes, centrífugos, de espiral rotatorio y de flujo axial disponibles. La aplicación más común se indica con la zona de sombreado más oscuro.

Fallas en los Compresores:

¿Cuáles son las causa principales de falla en un compresor?

1. Por Calor Excesivo: El calor excesivo provoca quemaduras del compresor.

• Sobrecalentamiento
•  Bajo Voltaje
• Falta de Refrigerante
• Obstrucción en el Evaporador y Falta de Ventilación 

 2. Por contaminantes: En un sistema de refrigeración solo debe circular aceite y                                                    refrigerante, cualquier otra sustancia es un contaminante.

• Aire y Humedad
• Ceras y Resinas
• Suciedad y Brisas de Metal
• Fundentes de Soldadura

Fallas más comunes en los Compresores

Pasos para el buen arranque de un Compresor:

1. Comprobar líneas, válvulas, juntas, etc.
2. Comprobar los sistemas de lubricación y niveles de aceite. Algo de aceite debe ir al cilindro directamente, pero mucho aceite puede ensuciar las válvulas y es anti-económico. Poco aceite puede ser causa de un desgaste prematuro de los anillos del pistón.
3. Comprobar el sistema de refrigeración de agua del cilindro y hacer circular el agua antes de ponerlo en marcha para prevenir un sobrecalentamiento y pérdida de engrase.
4. Girar el volante lentamente para dar algunas emboladas y desalojar cualquier líquido que pudiera haber en el cilindro, y repartir bien el aceite.
5. Arrancar el compresor en descarga y con las válvulas de admisión y escape cerradas con el bypass abierto. Después abrir la impulsión y cerrar el bypass; a continuación ir abriendo la válvula de aspiración lentamente.
6. Poner en carga el compresor, primero al 25%, después al 50% y por último al 100%.

Equipo para Bombeo de Gases

I) Introducción:

• Los ventiladores, sopladores y compresores se utilizan para incrementar la presión y generar el flujo de aire y otros gases en un sistema de flujo de gas. Su función es similar a la de las bombas en un sistema de flujo de líquido.
• Algunos de los principios para el flujo de líquidos y la aplicación de las bombas pueden aplicarse también en el flujo de gases. Sin embargo, la compresibilidad de los gases provoca algunas diferencias importantes.

II) Conceptos:

Presiones y Velocidades de Flujo de Gas.

• La velocidad de flujo de aire u otros gases se expresa con frecuencia enpie^3/min, abreviado cfm. Las velocidades se reportan típicamente enpies/min. Aunque estas no son las unidades estándar en el Sistema Británico de Unidades, son adecuadas en el rango de los flujos que típicamente se encuentran en aplicaciones industriales, comerciales y residenciales.
• Las presiones pueden medirse en lb/pulg^2 en el Sistema Británico de Unidades cuando se encuentran valores de presión relativamente grandes. Sin embargo, en la mayoría de los sistemas que manejan aire, las presiones son pequeñas y se miden en pulgadas de agua. Esta unidad se deriva de la práctica de utilizar un tubo "pitot" y manómetro de agua para medir la presión en ductos.

III) Clasificación de Ventiladores, Sopladores y Compresores:

• Los ventiladores, sopladores y compresores se utilizan para aumentar la presión del aire y mover éste u otros gases. Las diferencias básicas entre ellos se hallan en sus formas y las presiones que pueden desarrollar gracias a ese diseño.

- Un ventilador se diseña para operar contra presiones estáticas pequeñas, hasta 2 lb/pulg^2 (13,8 kPa). Pero las presiones típicas de operación para ventiladores son desde o hasta 6 pulg. de agua.

• A presiones desde 2 lb/pulg^2 hasta aproximadamente 10 lb/pulg^2 (69 kPa), el dispositivo que genera el movimiento de gas se le llama soplador.
• Para desarrollar altas presiones, tan altas como algunos miles de lb/pulg^2, se utilizancompresores.

Soplador semi-autómatica

de aire caliente

IV) Flujo de Aire Comprimido y otros Gases:

• Muchas industrias utilizan aire comprimido en sistemas de alimentación de fluidos para proveer de potencia al equipo de producción, a dispositivos para el manejo del material, y a máquinas de automatización.
• La presión de operación común para tales sistemas está en el rango de 60 hasta 125 lb/pulg^2 relativas (414 hasta 862 kPa).

Cuando se presentan grandes cambios de presión o temperatura del aire comprimido a lo largo de la longitud de un sistema de flujo:

1. Deberán tomarse en cuenta los cambios correspondientes en el peso específico del aire.
2. Si el cambio en presión es menor de aproximadamente el 10% de la presión de entrada, las variaciones en el peso específico tendrán efectos despreciables.
3. Cuando la caída de presión se encuentra entre el 10% y 40% de la presión de entrada, podemos utilizar el promedio del peso específico para las conducciones de entrada y salida para producir resultados con exactitud razonable.
4. Cuando el cambio de presión predecible es mayor al 40% deberá volver a diseñar el sistema o consultar otras referencias.

Propiedades y Parámetros para el Flujo de Aire Comprimido

• Densidad del aire.- La densidad para cualquiera de las condiciones de presión y temperatura pueden calcularse de la ley  de los gases idealesde la termodinámica.
•  Velocidades de flujo para líneas de aire comprimido.- Los valores dados a equipos que se utilizan para comprimir aire y para compresores que entregan aire se proporcionan en términos de aire libre, llamados en algunas ocasiones entrega de aire libre.

Selección del Tamaño de Tubería

1. Caída de presión
2.  Requerimiento de potencia en el compresor
3. Costo de tubería
4. Costo de un compresor
5. Costos de instalación
6. Espacio requerido
7. Expansión futura
8. Ruido 

• Es evidente que no existe un tamaño de tubería óptimo para cada instalación y el diseñador deberá evaluar el funcionamiento total de algunos de los tamaños antes de realizar la especificación final. Como ayuda para iniciar el proceso, la tabla1 en-lista algunos tamaños sugeridos.  

• Como en otros sistemas de línea de tubería, los sistemas de tubería con aire comprimido típicamente contienen válvulas y accesorios para controlar la cantidad y dirección de flujo. Tomamos en cuenta sus efectos utilizando la técnica de la longitud equivalente y los valores para el cociente Le/D se en-listan en la tabla 2.

 V) Flujo de Aire en Ductos:

• Los sistemas de ventilación y aire acondicionado distribuyen el aire a través de ductos a relativamente baja presión.
• Los ventiladores o sopladores que son responsables del movimiento del aire pueden describirse como dispositivos de alto volumen y baja presión.
• Se requiere un conocimiento de las presiones en el sistema de ductos para adoptar en forma apropiada un ventilador a un sistema dado, para asegurar la entrega de energía de una cantidad adecuada de aire, para equilibrar el flujo en varias partes del sistema.
• Dos tipos de pérdida de energía en sistemas de ductos provocan que la presión disminuya a lo largo de la trayectoria del flujo.
• Las pérdidas por fricción pueden estimarse utilizando la ecuación de Darcy. Si embargo, se han preparado tablas por parte de la American Society of Heating, Refrigering and Air-Conditioning Engineers para las condiciones típicas encontradas en el diseño de ductos.

Sistema de Ventilación Industrial

• Aunque con frecuencia se usan los ductos circulares para distribuir aire a través de sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado, es en general, más conveniente utilizar ductos debido a las limitaciones de espacio, en particular sobre techos.

BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO

DEFINCIÓN

Son aquellas en las que crean la succión y la descarga, desplazando agua con un elemento móvil. El espacio que ocupa el agua se llena y vacía alternativamente forzando y extrayendo el líquido mediante movimiento mecánico.

¿Por qué el término”postivo”?

El término “positivo”, significa que la presión desarrollada está limitada solamente por la resistencia estructural de las distintas partes de la bomba y la descarga no es afectada por la carga a presión sino que está determinada por la velocidad de la bomba.

TIPOS DE BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO

I) BOMBAS COMUNES DE DESPLAZAMIENTO

1.1.- Bombas de Embolo

En estas bombas el líquido es forzado por el movimiento de uno o mas pistones ajustados a sus respectivos cilindros tal y como lo hace un compresor Como durante el trabajo se produce rozamiento  entre el pistón y el cilindro, necesitan de sistemas de lubricación especiales para poder ser utilizadas en la impulsión de líquidos poco lubricantes tales como el agua. Tampoco pueden ser usadas con líquidos contaminados con partículas que resultarían abrasivas para el conjunto.

   

1.2.- Bombas lobulares

Éstas se asemejan a las bombas del tipo de engranajes en su forma de acción, tienen dos o más motores cortados con tres, cuatro, o más lóbulos en cada motor (Fig. 4, 5 y 6). Los motores se sincronizan para obtener una rotación positiva por medio de engranajes externos. Debido al que el líquido se descarga en un número más reducido de cantidades mayores que en el caso de la bomba de engranajes, el flujo del tipo lobular no es tan constante como en la bomba del tipo de engranajes.

 

1.3.- Bombas de tornillo

Estas bombas tienen un eje en forma de espiral, que gira dentro de un cilindro que a su vez posee cavidades en espiral. El eje gira desplazando el fluido a través de las cavidades, avanzando en forma continua, produciéndose un flujo axial.

II) BOMBAS ROTATORIAS

Las bombas rotatorias, que generalmente son unidades de desplazamiento positivo, consisten de una caja fija que contiene engranajes, aspas, pistones, levas, segmentos, tornillos, etc., que operan con un claro mínimo. En lugar de "arrojar" el líquido, como en una bomba centrífuga, una bomba rotatoria lo atrapa, lo empuja contra la caja fija. La bomba rotatoria descarga un flujo continuo. Aunque generalmente se les considera como bombas para líquidos viscosos, las bombas rotatorias no se limitan a este servicio solo, pueden manejar casi cualquier líquido que esté libre de sólidos abrasivos.

CARACTERISTICAS DE BOMBAS ROTATORIAS

El desplazamiento de una bomba rotatoria varia en forma directamente proporcional con la velocidad, sólo que la capacidad puede verse afectada por viscosidades y otros factores.

Sí se desprecian los escapes, las bombas rotatorias descargan un gasto constante independiente de las presiones variables de descarga.

Aunque generalmente se les considera como bombas para líquidos viscosos, las bombas rotatorias no se limitan a este servicio sólo. Pueden manejar casi cualquier líquido que esté libre de sólidos abrasivos.

TIPOS DE BOMBAS ROTATORIAS

2.1.- Bombas de Leva y Pistón

También llamadas "Bombas de émbolo rotatorio", consisten de un excéntrico con un brazo ranurado en la parte superior (Fig. 1). La rotación de la flecha hace que el excéntrico atrape el líquido contra la caja. Conforme continúa la rotación, el líquido se fuerza de la caja a través de la ranura a la salida de la bomba.

2.2.- Bombas de engranajes externos

Estas constituyen el tipo rotatorio mas simple. Conforme los dientes de los engranajes se separan en el lado de succión de la bomba (Fig. 2), el liquido llena el espacio entre ellos. Este se conduce en trayectoria circular hacia fuera y es exprimido al engranar nuevamente los dientes.

2.3.- Bombas de engranajes internos

Este tipo (Fig. 3) tiene un motor con dientes cortados internamente y que encajan en un engrane loco, cortado externamente. Puede usarse una partición en forma de luna creciente para evitar que el líquido pase de nuevo al lado de succión de la bomba.

  

III) BOMBAS ALTERNATIVAS O RECIPROCAS

Las bombas alternativas o reciprocas son también unidades de desplazamiento positivo descargan una cantidad definida de líquido durante el movimiento del pistón o émbolo a través de la distancia de carrera. En este tipo de bombas el fluido se desplaza mediante movimiento alternativo; al moverse en un sentido succiona y en el sentido inverso expulsa.

Tipos de bombas alternativas

El flujo de descarga de las bombas centrífugas y de la mayor parte de las bombas rotatorias es continuo. Pero en las bombas alternativas el flujo pulsa, esto puede reducirse con una cámara colchón o pulmón regulador.

Igual que otras bombas, las bombas alternativas no succionan los líquidos. Reducen solamente la presión en la cámara de succión y la presión externa, generalmente la atmosférica, empuja el líquido en la bomba potencia.

3.1.- Bombas de diafragma

Este tipo de bombas desplazan el líquido por medio de diafragmas de un material flexible y resistente, colocado dentro de un cuerpo cerrado que se acciona desde el exterior por un mecanismo reciprocante.

3.2.- Bombas de aspas o Paletas

Las bombas de aspas oscilantes tienen una serie de aspas articuladas que se balancean conforme gira el motor, atrapando al liquido y forzándolo en el tubo de descarga de la bomba.

Las bombas de aspas deslizantes usan aspas que se presionan contra la carcaza por la fuerza centrífuga cuando gira el motor. El liquido atrapado entre las dos aspas se conduce y fuerza hacia la descarga de bomba.

3.3.- Bombas Peristálticas

El líquido es desplazado por el interior de una manguera colocada en forma perimetral dentro de la carcasa de la bomba. Este desplazamiento es provocado por una rueda que posee dos levas, las cuales al girar van comprimiendo la manguera. Para disminuir el desgaste provocado por el roce entre la manguera y las levas, este sistema está sumergido en un lubricante.

IV) BOMBAS RECIPROCANTES

Las bombas reciprocantes se utilizan en numerosas aplicaciones que exceden la capacidad de las bombas centrífugas o rotatorias. Algunos servicios se podrían efectuar con una centrífuga o rotatoria, pero a expensas de un aumento en los requisitos de potencia y de mantenimiento. Debido a los altos costos de la energía, la bomba de potencia, con su elevada eficiencia mecánica, se utiliza cada vez más en muchas aplicaciones.

Una bomba reciprocante es de desplazamiento positivo, es decir, recibe un volumen fijo de líquido en condiciones casi de succión, lo comprime a la presión de descarga y lo expulsa por la boquilla de descarga. En estas bombas se logra por el movimiento alternativo de un pistón, émbolo o diafragma.

La bomba reciprocante no es cinética como la centrífuga y no requiere velocidad para producir presión, pues se pueden obtener presiones altas a bajas velocidades.

Esta es una de las ventajas de la bomba reciprocante en particular para manejar pastas aguadas abrasivas y líquidos muy viscosos.

4.1.- TIPOS DE BOMBAS RECIPROCANTES

•          Existen básicamente dos tipos de bombas reciprocantes las de acción directa, movidas por vapor y las bombas de potencia.

4.2.- Clasificación de las bombas

Las bombas reciprocantes, por lo general, se clasifican por sus características:

1.- Extremo de impulsión, es decir, potencia o acción directa.

2.-  Orientación de la línea de centros del elemento de bombeo, es decir, horizontal o vertical.

3.- Número de carreras de descarga por ciclo de cada biela, es decir, acción sencilla o doble acción.

4.- Configuración del elemento de bombeo: pistón, émbolo o diafragma.

5.- Número de varillas o bielas de mando, es decir, símplex, dúplex o múltiplex.

En las bombas de acción directa se utiliza un fluido motor para impulsar el pistón desde una biela común