Análisis de los diferentes tipos de compresores y explicación de su funcionamiento general, para facilitar el conocimiento de sus características y aplicaciones.
La tecnología del aire comprimido y gases, por muy estática que parezca, se encuentra en constante evolución. Los fabricantes llevan muchos años investigando sobre nuevos diseños que se adapten a las diferentes exigencias del mercado.
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.
Por su aplicación principal se podrían dividir en cinco grupos:
Compresores:
Máquinas diseñadas 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 barg.
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 barg.
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 dos grandes grupos:
Compresores de desplazamiento positivo:
El principio de funcionamiento de estos compresores se basa en la disminución del volumen del aire en la cámara de compresión donde se encuentra confinado, produciéndose el incremento de la presión interna hasta llegar al valor de diseño previsto, momento en el cual el aire es liberado al sistema.
Compresores dinámicos:
El principio de funcionamiento de estos compresores se basa en la aceleración molecular. El aire es aspirado por el rodete a través de su campana de entrada y acelerado a gran velocidad. Después es descargado directamente a unos difusores situados junto al rodete, donde toda la energía cinética del aire se transforma en presión estática. A partir de este punto es liberado al sistema.
Ambos sistemas pueden trabajar con una o varias etapas, en función de la presión final requerida para el aire comprimido. En el caso de compresores multietápicos, el aire, al ser liberado de la primera etapa, pasa directamente a la segunda, donde el proceso descrito anteriormente se repite. Entre cada etapa, se instala un refrigerador intermedio que reduce la temperatura de compresión hasta el valor requerido por la etapa siguiente.
Cada grupo de compresores usa diferentes diseños para el proceso de compresión. A continuación explicaremos los principales de cada uno de ellos.
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.
En la foto de la derecha, vemos el esquema de un compresor de pistón con dos cilindros de ATLAS COPCO, donde se puede ver cómo el cilindro de la derecha, en un movimiento descendente, está aspirando el aire del exterior, mientras que el cilindro de la izquierda, con un movimiento ascendente, lo está comprimiendo.
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.
COMPRESOR DE 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. Como se puede ver en el esquema, 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 el esquema inferior, se ve la sección de un conjunto rotórico, donde se pueden apreciar los tornillos en el interior de la carcasa.
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 foto inferior se puede ver un 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 foto inferior, correspondiente a un compresor de tornillo exento de BOGE, ambos conjuntos rotóricos están conectados a un único motor por la citada caja de engranajes.
En la foto se aprecian los diferentes componentes; el "bloque compresor" comprende la caja de engranajes y las dos unidades compresoras.
COMPRESOR DE PALETAS
Otro diseño dentro de los compresores de desplazamiento positivo, 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.
Como se puede ver en este esquema de MATTEI, 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.
En la foto se puede ver un rotor con sus paletas en un compresor HYDROVANE.
COMPRESOR DE LÓBULOS O ÉMBOLOS ROTATIVOS
Otro compresor de desplazamiento positivo es el que usa unos rotores de lóbulos o émbolos rotativos. Para ilustrar con más precisión su funcionamiento, usaremos un esquema de los equipos de MPR.
El principio de funcionamiento está basado en el giro de dos rotores de lóbulos en el interior de la carcasa. Como se puede ver en la ilustración superior, 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, como se puede ver en la imagen inferior perteneciente a un compresor de ATLAS COPCO.
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 barg.
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. En la foto inferior vemos una sección de un compresor scroll de ATLAS COPCO.
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, destacamos el diseño de las bombas de vacío de anillo líquido. Como se puede ver en el esquema inferior izquierdo, correspondiente a una bomba de NASH, 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. En la foto inferior derecha, se muestra una bomba de vacío de anillo líquido de FLOWSERVE SIHI.
COMPRESORES 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 foto inferior, se ve 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).
Otro ejemplo se puede ver en la sección de una soplante centrífuga de SULZER, donde se aprecia con detalle el rotor centrífugo instalado en el extremo del eje.
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 foto inferior, podemos ver un turbocompresor de INGERSOLL RAND, montado sobre una bancada común al motor, refrigeradores y cuadro de control.
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 foto inferior, 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.
La utilización de una tecnología u otra depende de cada aplicación, servicio o presión requerida.
Jueves, 21 de noviembre de 2024 
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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. Como se puede ver en el esquema, el aire llena los espacios creados entre ambos tornillos, aumentando la presión según se va reduciendo el volumen en las citadas cámaras.
