Los compresores de tornillo son equipos 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.

La tecnología del tornillo es más avanzada que su antecesor, el compresor alternativo o de pistón. Ambos sistemas son de desplazamiento positivo; la principal diferencia entre estas tecnologías está en la forma de comprimir, que en el caso del compresor de tornillo es continua a lo largo del rotor y en el de pistón lo hace en dos fases (aspiración y compresión). Esta forma de comprimir el aire en el pistón genera alteraciones en el flujo, mientras que la del tornillo produce un flujo de aire continuo.

Proceso de compresión

Como se puede ver en el esquema, el compresor está formado por dos rotores que giran en paralelo y en sentido contrario, en el interior de una carcasa. Estos dos rotores tienen una geometría diferente, siendo uno de ellos, el denominado macho, el que entra en la cavidad del otro denominado hembra, para crear una cámara donde se acumula el aire aspirado.

Los dos rotores giran dentro  de la carcasa, desplazando el aire desde el lado de aspiración al de descarga. Este efecto se produce por su especial diseño con forma de tornillo helicoidal.

El aire circula longitudinalmente a través de ambos tornillos directamente a la zona contraria a la aspiración, donde se produce el incremento de presión por reducción del espacio. El desplazamiento continuo de los tornillos va acumulando aire en la zona de compresión hasta alcanzar la presión requerida por el diseño del equipo, momento en el que el aire queda liberado en la tubería de descarga, quedando el compresor en funcionamiento continuo presurizando el sistema al que se encuentra conectado.

El diseño helicoidal o helicoide está basado en el tornillo de Arquímedes, que consiste de forma básica, en una espiral montada sobre un cilindro. En el caso de los compresores, este diseño es más complejo porque no solo sus perfiles están desarrollados de forma especial para conseguir la máxima eficiencia, sino que su trabajo se basa en el funcionamiento de los dos tornillos (macho y hembra) girando en paralelo.

En función de la aplicación, la presión de trabajo o el diseño de cada fabricante, el conjunto formado por los dos tornillos y su carcasa puede tener diferentes componentes. En este artículo analizaremos los componentes básicos.

Componentes de un compresor de tornillo

Un compresor de tornillo no solo está formado por los rotores que comprimen el aire, sino que requiere de una serie de equipos adicionales que permiten accionar y controlar el funcionamiento de dichos rotores. De forma general, los elementos que componen dicho compresor son:

• Conjunto de rotores o tornillos, también conocido entre los compresoristas como AirEnd.

• Motor de accionamiento principal. Habitualmente suele ser eléctrico (trifásico o monofásico) o de combustión interna, pero según su aplicación puede ser otro tipo de accionamiento como los realizados por turbinas de vapor, motores neumáticos, hidráulicos, etc.

• Sistema de regulación y control de la aspiración. Un elemento importante en el funcionamiento del compresor que permite la regulación de la entrada del aire en el equipo.

• Sistema de lubricación general del equipo completo. Los compresores llevan instalado un circuito cerrado que incluye el sistema de filtrado y refrigeración del aceite.

• Sistema de refrigeración del lubricante. Mantiene el lubricante a la temperatura óptima de trabajo.

• Sistema de enfriamiento del aire comprimido. Para reducir la temperatura del aire comprimido a la idónea para su uso.

• Sistema de filtrado. Indispensable para eliminar partículas y restos contaminantes del aire comprimido.

• Equipo de arranque y control. Cada compresor, en función de su diseño o aplicación, lleva instalado un sistema de control que regula el funcionamiento del equipo, su arranque y paro.

• Bancada común y canopy de protección/insonorización. Aunque existen ejecuciones que no requieren de una cabina de insonorización, la mayoría de los compresores de tornillo tienen niveles sonoros elevados y deben ser aislados para evitar daños auditivos a los operarios o personas que circulan cerca de ellos. Hoy en día, estos equipos son bastante silenciosos gracias a estas protecciones.

Funcionamiento interno del compresor de tornillo lubricado

Los equipos descritos anteriormente son montados e interconexionados para formar el compresor de tornillo lubricado, según se explica en el siguiente diagrama típico de este tipo de compresores:

El conjunto formado por los rotores y el motor de accionamiento (elementos 3 y 4 del esquema) forman la base del compresor, independientemente de que dicho accionamiento sea con un motor eléctrico, de combustión, hidráulico, etc.

El aire es aspirado por el compresor a través de la válvula (2) y el filtro (1), entrando en el tornillo (3) por la zona de aspiración. Una vez en su interior, el aire circula a través de los dos tornillos y es comprimido sobre el recipiente de separación aire/aceite (5). Siguiendo con el esquema, se puede observar que en el interior de este recipiente receptor (5), el aire comprimido entra forzado a realizar un giro brusco, con la idea de conseguir que se desprenda de la mayor cantidad de aceite posible. Para mejorar la eficiencia de esa separación, el aire comprimido sale al exterior a través de un filtro separador con propiedades coalescentes (6), que elimina el resto de aceite en la corriente de aire hasta un residual muy pequeño (inferior a 3 ppm, según cada fabricante).

Una de las características del proceso de compresión es la generación de calor. Evidentemente, el aire no se puede entregar al sistema según sale del tornillo debido a su alta temperatura, que puede oscilar alrededor de los 100 ºC. Por esa razón, los compresores van equipados con unos intercambiadores de calor (7) con los que bajan la temperatura del aire comprimido a la adecuada para su uso seguro. Estos intercambiadores pueden ser Aire/Aire o Aire/Agua.

Antes de llegar el aire comprimido al intercambiador, pasa por la válvula de retención y mínima presión (11). Esta válvula tiene una doble misión. Por un lado mantiene la presión interna del circuito de aire a los valores mínimos especificados por el fabricante y por otro, evita el retroceso de aire desde la red.

La lubricación de estos compresores se realiza con un aceite especialmente formulado para este trabajo. Una vez separado el aceite en el recipiente (5), es conducido por un circuito cerrado que incluye un sistema de filtrado (8) para eliminar las impurezas que ha podido recoger del aire, y un refrigerador (9) para reducir su temperatura. Una vez limpio y a la temperatura adecuada, el aceite es inyectado nuevamente en el tornillo.

Pero el aceite de estos compresores no debe estar frio ni excesivamente caliente. Por ese motivo, dentro del circuito de lubricación, una válvula termostática (10) determina si el aceite fluye hacia el refrigerador o retorna directamente al tornillo, en función de la temperatura.

El aceite de lubricación de este tipo de compresores es un elemento vital para el funcionamiento y rendimiento de los mismos. Es aconsejable usar un aceite adecuado, debido a que en el compresor se utiliza para diferentes funciones:

1- Lubricar. El aceite se utiliza para lubricar los tornillos y los rodamientos.

2- Sellar. Es muy importante que la mínima tolerancia existente entre los rotores quede sellada con el propio aceite de lubricación y evite la pérdida de eficiencia del conjunto.

3- Enfriar. El aceite inyectado es el fluido refrigerante con el cual se evacua el calor de compresión.

Regulación del compresor

La regulación de un compresor de tornillo es una parte importante del funcionamiento del equipo. Habitualmente todos los compresores responden a una regulación basada en la presión del sistema, esto quiere decir que el compresor estará comprimiendo aire hasta que la presión del sistema llegue al valor deseado.

Por esta razón, los compresores de tornillo trabajan entre una presión máxima y mínima para regular su funcionamiento. Existen varia formas de hacer este trabajo:

 •  En arranque y paro

El compresor arranca poniendo en marcha su motor principal cuando la presión del sistema ha llegado a su valor mínimo, parando dicho motor cuando la presión llegue a su valor máximo. Este sistema es poco habitual en los compresores de tornillo lubricado, siendo utilizado únicamente en algunas aplicaciones especiales y con equipos de baja potencia.

•  Carga/descarga

Este es el sistema más habitual. Como se puede ver en el esquema de funcionamiento de un compresor de tornillo, aguas arriba del filtro, está situada la válvula de aspiración (2). Esta válvula regula la entrada de aire en el tornillo. Cuando el sistema llega al valor de presión mínima, la válvula de aspiración abre y el tornillo aspira el aire exterior. Con esta maniobra se dice que el compresor ha entrado en carga.

Cuando en el sistema se llega a la presión máxima, la válvula de aspiración (2) se cierra y el compresor deja de suministrar aire. En este momento se dice que el compresor está en descarga.

Esta maniobra se repite tantas veces como sea necesario para mantener la presión del sistema entre los valores seleccionados. Durante todo este proceso el motor principal se mantiene en funcionamiento.

•  Carga/descarga con regulación proporcional

Este sistema se está dejando de usar poco a poco. El funcionamiento de la válvula de aspiración es parecido al sistema anterior, pero al llegar al valor de presión máxima, la válvula no cierra totalmente sino que comienza a cerrar parcialmente para mantener un valor de presión constante, reduciendo o aumentando la entrada de aire en el tornillo de forma proporcional. Si el caudal llega a un punto excesivamente pequeño, la válvula de aspiración cierra totalmente dejando el compresor en descarga.

•  Velocidad variable

Este es el sistema más avanzado en el control del caudal del compresor y ha sustituido al anterior por su eficiencia en la regulación del caudal y el ahorro de energía.

Se basa en la propiedad de estos compresores al ser de desplazamiento positivo, es decir que por cada revolución desplazan un volumen determinado de aire. De esta forma, aumentando la velocidad del compresor se incrementa el caudal y reduciéndola se disminuye el mismo.

Esta ejecución es muy utilizada en instalaciones donde el usuario requiere de un caudal de aire muy variable por la exigencia del proceso. Con esta regulación, se consigue mantener una presión constante en el sistema y un consumo energético proporcional al caudal requerido, con el consiguiente ahorro de energía.

Diferentes ejecuciones de  los compresores de tornillo lubricado

Lo habitual en los compresores de tornillo lubricado, es que todos los elementos descritos anteriormente se monten sobre un bastidor, formando un solo conjunto. También es habitual que el citado conjunto se proteja en el interior de  una cabina que hace las funciones de protección e insonorización, junto con el sistema de control y arranque para manejar el conjunto completo de forma automática.

Hay ejecuciones con compresores de potencias inferiores a los 22 kW que se suministran sin insonorizar debido a que por su diseño y bajas vueltas, el nivel sonoro del equipo en funcionamiento está muy por debajo de los niveles de seguridad exigidos.

Otra forma de montar los compresores de tornillo lubricado de potencias pequeñas es sobre los depósitos acumuladores, formando un conjunto compacto.

En la siguiente imagen, se muestran compresores de tornillo de algunos de los principales fabricantes. Podemos ver un ejemplo de equipos de tornillo lubricado (A), un compresor de tornillo en ejecución portátil (B) muy usado en la obra pública y un compresor de tornillo accionado por una turbina de vapor (C).

Todos ellos son ejemplos de las diferentes ejecuciones y desarrollos que los fabricantes pueden realizar para adaptar sus compresores de tornillo a las diferentes necesidades de sus clientes.

Los compresores de tornillo disponen de una gama de fabricación con potencias entre los 3 kW y los 500 kW. Son posiblemente los equipos de aire comprimido más habituales en la industria, con presiones de trabajo entre los 3 bar y 15 bar. Dependiendo de las aplicaciones, se pueden encontrar equipos de potencias superiores o presiones que pueden llegar a los 27 bar.

En este artículo se ha analizado el funcionamiento de los compresores de tornillo lubricado, pero existen otros diseños dentro de los equipos de tornillo: 

•  Compresores de tornillo exento

Como su propio nombre indica, en el interior del tornillo de estos compresores no se inyecta ningún tipo de lubricante, aunque sí es necesario lubricar otras partes del propio tornillo como rodamientos o engranajes de sincronización.

•  Compresores de tornillo de inyección de agua

Se trata de un  compresor de tornillo que utiliza el agua como lubricante. Su funcionamiento es similar al de un compresor de tornillo lubricado, pero usando el agua como fluido lubricante, sellador y refrigerante.

Como el agua no es un buen lubricante, estos compresores tienen un diseño un poco especial, usando rotores de tipo cerámico o una combinación entre un rotor de paletas y un tornillo tradicional.

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