Máquina que eleva la presión de un gas, un vapor o una mezcla de gases y vapores. La presión del fluido se eleva reduciendo el volumen especifico del mismo




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Compresores







Máquina que eleva la presión de un gas, un vapor o una mezcla de gases y vapores. La presión del fluido se eleva reduciendo el volumen especifico del mismo durante su paso a través del compresor. Comparados con turbo soplantes y ventiladores centrífugos o de circulación axial, en cuanto a la presión de salida, los compresores se clasifican generalmente como maquinas de alta presión, mientras que los ventiladores y soplantes se consideran de baja presión.

Los compresores se emplean para aumentar la presión de una gran variedad de gases y vapores para un gran numero de aplicaciones. Un caso común es el compresor de aire, que suministra aire a elevada presión para transporte, pintura a pistola, inflamiento de neumáticos, limpieza, herramientas neumáticas y perforadoras. Otro es el compresor de refrigeración, empleado para comprimir el gas del vaporizador. Otras aplicaciones abarcan procesos químicos, conducción de gases, turbinas de gas y construcción.

CLASIFICACIÓN DE LOS COMPRESORES

Al clasificarse según el indicio constructivo los compresores volumétricos se subdividen en los de émbolo y de rotor y los de paletas en centrífugos y axiales. Es posible la división de los compresores en grupos de acuerdo con el género de gas que se desplaza, del tipo de transmisión y de la destinación del compresor.

Compresor Alternativo o de Embolo

Los compresores alternativos funcionan con el principio adiabático mediante el cual se introduce el gas en el cilindro por las válvulas de entrada, se retiene y comprime en el cilindro y sale por las válvulas de descarga, en contra de la presión de descarga. Estos compresores rara vez se emplean como unidades individuales, salvo que el proceso requiera funcionamiento intermitente. Por ejemplo, si hay que regenerar un catalizador cada dos o tres meses o se tiene un suministro de reserva en otra fuente, esto daría tiempo para reparar o reemplazar las válvulas o anillos de los pistones, si es necesario. Los compresores alternativos tienen piezas en contacto, como los anillos de los pistones con las paredes de¡ cilindro, resortes y placas o discos de válvulas que se acoplan con sus asientos y entre la empaquetadura y la biela. Todas estas partes están sujetas a desgaste por fricción.

Los compresores alternativos pueden ser del tipo lubricado o sin lubricar. Si el proceso lo permite, es preferible tener un compresor lubricado, porque las piezas durarán más. Hay que tener cuidado de no lubricar en exceso, porque la carbonización del aceite en las válvulas puede ocasionar adherencias y sobrecalentamiento. Además, los tubos de descarga saturados con aceite son un riesgo potencia¡ de incendio, por lo que se debe colocar corriente abajo un separador para eliminar el aceite. Los problemas más grandes en los compresores con cilindros lubricados son la suciedad y la humedad, pues destruyen la película de aceite dentro del cilindro.

La mejor forma de evitar la mugre es utilizar coladores temporales en la succión para tener un sistema limpio al arranque. La humedad y los condensables que llegan a la succión del compresor se pueden evitar con un separador eficaz colocado lo más cerca que sea posible del compresor. Si se va a comprimir un gas húmedo, habrá que pensar en camisas de vapor o precalentamiento del gas de admisión, corriente abajo del separador.

En los compresores sin lubricación, la mugre suele ser el problema más serío, y hay otros problemas que puede ocasionar el gas en sí. Por ejemplo, un gas absolutamente seco puede ocasionar un severo desgaste de los anillos; en este caso, hay que consultar con el fabricante, pues constantemente se obtienen nuevos datos de pruebas. En los compresores no lubricados, los anillos del pistón y de desgaste se suelen hacer con materiales rellenos con tefion, bronce, vidrio o carbón, según sea el gas que se comprime. El pulimento del cilindro a 12 pi (rms.) suele prolongar la duración de los anillos. La empaquetadura es susceptible del mismo desgaste que los anillos del pistón.

Las fugas por la empaquetadura se deben enviar a un sistema de quemador o devolverlas a la succión. Los compresores lubricados pueden necesitar tubos separados para lubricar la empaquetadura, aunque en los cilindros de diámetro pequeño quizá no se requieran. Las empaquetadoras de teflón sin lubricación suelen necesitar enfriamiento por agua, porque su conductividad térmica es muy baja. Si se manejan gases a temperaturas inferiores a IOIF, el fabricante debe calcular la cantidad de precalentamiento del gas mediante recirculación interna. Esto significa que se necesitará un cilindro un poco más grande para mover el mismo peso de flujo.

Los compresores alternativos deben tener, de preferencia motores de baja velocidad, de acoplamiento directo, en especial si son de más de 300 HP; suelen ser de velocidad constante. El control de la velocidad se logra mediante válvulas descargadoras, y estas deben ser del tipo de abatimiento de la placa de válvula o del tipo de descargador con tapón o macho. Los descargadores que levantan toda la válvula de su asiento pueden crear problemas de sellamiento. La descarga puede ser automática o manual. Los pasos normales de descarga son 0-100%, 0-50-100%, o- 25-60-75-100% y se pueden obtener pasos intermedios con cajas de espacio muerto o botellas de despejo; pero, no se deben utilizar estas cajas si puede ocurrir polimerización, salvo que se tomen las precauciones adecuadas.

Los compresores alternativos de embolo se clasifican:

Según la fase de compresión en

Monofásico o de simple efecto, cuando el pistón realiza una sola fase de compresión (la acción de compresión la ejecuta una sola cara del pistón).

Bifásico, de doble efecto o reciprocante cuando el pistón realiza doble compresión (la acción de compresión la realizan ambas caras del pistón).

Según las etapas de compresión se clasifican en:

Compresores de una etapa cuando el compresor realiza el proceso de compresión en una sola etapa.

Compresores de varias etapas cuando el proceso de compresión se realiza en mas de una etapa por ejemplo una etapa de baja presión y una etapa de alta presión.

Según la disposición de los cilindros se clasifican en:

Verticales -Horizontales

Los compresores alternativos abarcan desde una capacidad muy pequeña hasta unos 3.000 PCMS. Para equipo de procesos, por lo general, no se utilizan mucho los tamaños grandes y se prefieren los centrífugos. Si hay alta presión y un gasto más bien bajo, se necesitan los alternativos. El número de etapas o cilindros se debe seleccionar con relación a las temperaturas de descarga, tamaño disponible para los cilindros y carga en el cuerpo o biela del compresor.

Los tamaños más bien pequeños, hasta de unos 100 HP, pueden tener cilindros de acción sencilla, enfriamiento con aire, y se puede permitir que los vapores del aceite en el depósito (cárter) se mezclen con el aire o gas comprimidos. Estos tipos sólo son deseables en diseños especiales modificados.

Los tipos pequeños para procesos, de un cilindro y 25 o 200 HP, tienen enfriamiento por agua, pistón de doble acción, prensaestopas separado que permite fugas controladas y pueden ser de¡ tipo no lubricado, en el cual el lubricante no toca el aire o gas comprimido. Se utilizan para aire para instrumentos o en aplicaciones pequeñas para gas de proceso. Los compresores más grandes para aire o gas son de dos o más cilindros. En casi todas las instalaciones, los cilindros se disponen en forma horizontal y en serie, de modo que presenten dos o más etapas de compresión. El número de etapas de compresión depende, en gran parte de la elevación de temperatura en una etapa, que suele estar limitada a unos 250'F; De la carga en el cuerpo o biela que se puede manejar y, de vez en cuando, de¡ aumento total en la presión en una etapa, respecto de¡ diseño de las válvulas de¡ compresor, que suelen ser para menos de 1.000 psi.

La relación o razón total de compresión se determina para tener una idea inicial aproximada del número de etapas. Si la relación es muy alta, entre 3.0 y 3.5 para una sola etapa, entonces la raíz cuadrada de la relación total será igual a la relación por etapa para las dos etapas, a la raíz cúbica para tres etapas, etc. Las presiones interetapas y la relación por etapa reales se modificarán después de tener en cuenta las caídas de presión en interenfriadores, tubería entre etapas, separadores y amortiguadores de pulsaciones, si se utilizan.

Los compresores de émbolo comprimen gases y vapores en un cilindro a través de un émbolo de movimientos rectilíneo y se utilizan para el accionamiento de herramientas neumáticas (6 a 7 kg/cm2), instalaciones frigoríficas de amoníaco (hasta 12 kg/cm2), abastecimiento de gas a distancia (hasta 40 kg/cm2), licuación del aire (hasta 200 kg/cm2), locomotoras de aire comprimido (hasta 225kg/cm2) e hidrogenación y síntesis a presión (hasta más de 1000 kg/cm2).

COMPRESORES ROTATIVOS O CENTRÍFUGOS

Los compresores centrífugos impulsan y comprimen los gases mediante ruedas de paletas.

Los ventiladores son compresores centrífugos de baja presión con una rueda de paletas de poca velocidad periférica (de 10 a 500 mm de columna de agua; tipos especiales hasta 1000 mm). Las máquinas soplantes rotativas son compresores centrífugos de gran velocidad tangencial (120 a 300 m/seg.) y una relación de presiones por escalón p2/p1 = 1,1 a 1,7. Montando en serie hasta 12 ó 13 rotores en una caja puede alcanzarse una presión final de » 12kg/cm2, comprimiendo aire con refrigeración repetida.

Compresores de paletas deslizantes

Este tipo de compresores consiste basicamente de una cavidad cilindrica dentro de la cual esta ubicado en forma excentrica un rotor con ranuras profundas, unas paletas rectangulares se deslizan libremente dentro de las ranuras de forma que al girar el rotor la fuerza centrifuga empuja las paletas contra la pared del cilindro. El gas al entrar, es atrapado en los espacios que forman las paletas y la pared de la cavidad cilindrica es comprimidad al disminuir el volumen de estos espacios durante la rotacion.

Compresores de pistón liquido

El compresor rotatorio de piston de liquido es una maquina con rotor de aletas multiple girando en una caja que no es redonda. La caja se llena, en parte de agua y a medida que el rotor da vueltas, lleva el liquido con las paletas formando una serie de bolsas. Como el liquido, alternamente sale y vuelve a las bolsas entre las paletas(dos veces por cada revolucion). A medida que el liquido sale de la bolsa la paleta se llena de aire. Cuando el liquido vuelve a la bolsa, el aire se comprime.

Compresores de lóbulos (Roots)

Se conocen como compresores de doble rotor o de doble impulsor aquellos que trabajan con dos rotores acoplados, montados sobre ejes paralelos, para una misma etapa de compresión. Una máquina de este tipo muy difundida es el compresor de lóbulos mayor conocida como "Roots", de gran ampliación como sobre alimentador de los motores diese¡ o sopladores de gases a presión moderada. Los rotores, por lo general, de dos o tres lóbulos están conectados mediante engranajes exteriores. El gas que entra al soplador queda atrapado entre los lóbulos y la carcaza; con el movimiento de los rotores de la máquina, por donde sale, no pudieron regresarse debido al estrecho juego existente entre los lóbulos que se desplazan por el lado interno.

Compresores de tornillo

La compresión por rotores paralelos puede producirse también en el sentido axial con el uso de lóbulos en espira a la manera de un tornillo sin fin. Acoplando dos rotores de este tipo, uno convexo y otro cóncavo, y haciéndolos girar en sentidos opuestos se logra desplazar el gas, paralelamente a los dos ejes, entre los lobulos y la carcaza.

Las revoluciones sucesivas de los lobulos reducen progresivamente el volumen de gas atrapado y por consiguiente su presion, el gas asi comprimido es forzado axialmente por la rotacion de los lobulos helicoidales hasta 1ª descarga.

Principio de funcionamiento - Caudal

Los compresores rotativos pertenecen a la clase de maquinas volumétricas; por su principio de funcionamiento son análogos a las bombas rotativas. Los mas difundidos son los compresores rotativos de placas; últimamente hallan aplicación los cornpresores helicoidales.

Al girar el rotor, situado excéntricarnente en el cuerpo, las placas forman espacios cerrados, que trasladan el gas de la cavidad de aspiración a al cavidad de impulsión. Con esto se efectúa la compresión del gas. Tal esquema del compresor, teniendo buen equilibrio de las masas en movimiento, permito comunicar al rotor la alta frecuencia de rotación y unir la rnaquina directamente con motor eléctrico.

Al funcionar el compresor de placas se desprende una gran cantidad de calor a causa de la presión mayores de 1,5 el cuerpo del compresor se fabrica con enfriamiento por agua.

Los compresores de placas pueden utilizarse para aspirar gases y vapores de los espacios con presión menor que la atmosférica. En tales casos el compresor es una bomba de vacío. El vacío creado por las bombas de vacío de placas alcanza el95%.

El caudal del compresor de placas depende de sus dimensiones geornétricas y de la frecuencia de rotación. Si se considera que las placas son radiales el volumen del gas encerrado entre dos de estas donde f es la superficie máxima de la sección transversal entre las placas, 1 la longitud de la placa.

Las piezas de trabajo principales del compresor son los visinfmes(tomillo) de perfil especial; la disposición recíproca de los tornillos esta fijada estrictamente por las ruedas dentadas que se encuentran en engrane, encajadas sobre los arboles. El huelgo en el engranaje en estas ruedas dentadas sincronizadas es menor que los tomillos, por lo cual la fricción mecánica en los últimos esta excluida. El tornillo con cavidades es el órgano distributivo del cierre, por eso la potencia transmitida por las ruedas por las ruedas dentadas sincronizadas no es grande, por consiguiente, es pequeño su desgaste. Esta circunstancia es muy importante debido a la necesidad de conservar huelgos suficientes en el par de tornillos.

Regulacion del caudal

De la ecuación para determinar el caudal de los compresores de rotor se ve que el caudal es proporciona¡ a la frecuencia de rotación del árbol del compresor. De esto se deduce el procedimiento de regulación de Q cambiando n.

Los compresores de placas se unen con los electromotores en la mayoría de los casos directamente y la frecuencia de rotación de estos constituyen 1540, 960, 735 rpm. Para regular el caudal en este caso es necesario empatar entre los arboles de¡ motor y el compresor un vareador de velocidad.

La frecuencia de rotación de los compresores helicoidales es muy alta, alcanza en el caso de accionamiento por turbina de gas, 15000 r.p.m. Los compresores helicoidales grandes de fabricación habitual funcionan con una frecuencia de rotación de 3000 rpm.

Para ambos tipos de compresores rotativos se emplean en los procedimientos de regulación del caudal por estrangulación en la aspiración, el trasiego del gas comprimido en la tubería de aspiración y las paradas periódicas.

Estructura de los Compresores

Los compresores de placas se fabrican para caudales de hasta 5OOm3\rnin y con dos etapas de compresión con enfriamiento intermedio crean presiones de hasta 1.5Mpa.

Los elementos principales de esta estructura son: rotor, cuerpo, tapas, enfriador y arboles. El cuerpo y las tapas del compresor se enfrían por el agua. Los elementos constructivos tienen ciertas particularidades. Para disminuir las perdidas de energía de la fricción mecánica de los extremos de las placas contra el cuerpo en este se colocan dos anillos de descarga que giran libremente en el cuerpo. A la superficie exterior de estos se' envía lubricación. Al girar el rotor los extremos de las placas se apoyan en el anillo de descarga y se deslizan parcialmente por la superficie interior de estos; los anillos de descarga giran simultáneamente en el cuerpo.

Al fin de disminuir las fuerzas de fricción en las ranuras las placas se colocan no radicalmente sino desviándolas hacia adelante en dirección de la rotación. El ángulo de desviación constituye 7 a 10 grados. En este caso la dirección de la fuerza que actúa sobre las placas por lado del cuerpo y los anillos de descarga se aproxima a la dirección de desplazamiento de la placa en la ranura y la fuerza de fricción disminuye.

Para disminuir las fugas de gas a traves de los huelgos axiales, en el buje del rotor se colocan anillos de empacaduras apretados con resortes contra las superficies de las tapas.

Por el lado de salida del arbol a traves de la tapa, se ha colocado una junta de prensaestopas con dispositivos tensor de resortes.

Espacio Muerto

Los cilindros de los compresores siempre se fabrican con espacio muerto; esto es necesario para evitar el golpe del embolo contra la tapa al llegar este a la posicion extrema.

El volumen del espacio muerto habitualmente se aprecia en proporciones o porcentajes de volumen de trabajo del cilindro y se llama volumen relativo del espacio muerto:

A=Vm/Vtr

En los compresores monoetapicos modernos,en el caso cuando las valvulas se encuentran en la etapa de los cilindros A=0.025 0.06

Distribución y Regulación

Los órganos de cierre de la entrada y la salida del gas en el cilindro son en general válvulas automáticas de plancha de acero esmerilada por ambas caras y de 2 a 3 mm de espesor, corrientemente con forma anular y cargadas por resorte de presión para seguridad del cierre.

La carrera de la válvula (normalmente de 2 a 4 mm; para gran número de revoluciones 1 a 1,5 mm) está limitada por un tope atornillado al asiento de válvula. Las válvulas, dispuestas a un costado del cilindro o en la culata del mismo, son fáciles de montar y desmontar. Para que las válvulas se conserven mejor y ocasionen poca pérdida de carga debe exceder de 30 m/seg. Y con presiones superiores a 100 kg/cm2 sólo a 15 m/seg. Material para los platos de válvula altamente fatigados, acero especial poco aleado.

Las instalaciones de compresores trabajan en general con toma irregular y necesitan, por lo tanto, una regulación. Sistemas usuales de regulación:

Arranque y paro. Para pequeñas instalaciones con impulsión eléctrica. Según sea la presión del acumulador de aire, se conectan y desconectan automáticamente el motor y el agua de refrigeración. El acumulador debe tener suficiente capacidad para que no se realicen más de 8 a 10 conmutaciones por hora.

Ajuste del número de revoluciones en el accionamiento por máquinas de émbolo. Con número constante de revoluciones:

Regulación por marcha en vacío. El regulador de presión cargado con peso o resorte conecta el compresor a marcha en vacío en cuanto la presión del acumulador excede de la ajustada y conecta de nuevo a plena carga en cuanto la presión baja un 10%. La marca en vacío se verifica por cierre del tubo de aspiración o manteniendo abierta la válvula de aspiración con ayuda de un descompresor.

Regulación escalonada. La potencia se disminuye escalonadamente al 75%, al 50%, al 25% y a vacío, por intercalación de espacios perjudiciales fijos y conexión a marcha en vacío de las distintas caras de émbolo en los escalones de múltiple efecto.

Regulación progresiva del gasto (sin escalonar). En general se realiza manteniendo abierta durante un tiempo graduable (mayor o menor) las válvulas de aspiración durante las carreras de compresión mediante descompresores accionados por gas o aceite a presión o por resortes.

Si en el compresor de varios escalones se regula sólo el primer escalón, es decir se disminuye su grado de aprovechamiento, baja en éste nada más la relación de presiones y aumenta su grado de aprovechamiento, baja en éste nada más la relación de presiones y aumenta en el último, permaneciendo casi constante la relación de presiones y aumenta en el último, permaneciendo casi constante la relación de presiones en todos los escalones intermedios.

Para arrancar se descargará el compresor lo más completamente posible.

Normalmente manteniendo abierta la válvula de aspiración. Los compresores grandes tienen para esto conductos especiales de by-pass. En las máquinas pequeñas que aspiran a través del émbolo, la marcha en vacío se realiza por cierre del conducto de aspiración, abriendo al mismo tiempo un by-pass que establece la comunicación entre las caras de aspiración y de impulsión.

Engrase

Para la lubricación de los compresores de émbolo se emplean los mismos métodos que para las máquinas de vapor, salvo las altas exigencias de los aceites de engrase a causa del gran calor radiado por los cilindros de vapor.

Para el engrase de los cilindros, como para las máquinas de vapor, se emplean bombas de émbolo buzo de funcionamiento obligado por la transmisión.

Aún con altas presiones de gas deben procurarse aceites de poca viscosidad. Un aceite viscoso exige una potencia innecesariamente grande y hace que las válvulas tengan más tendencia a pegarse y romperse. Para muy altas presiones, se emplean, sin embargo, algunas veces los aceites viscosos para mejora la hermeticidad, aunque la temperatura del gas sea más baja. A ser posible se utilizara el aceite para el engrase del cilindro y de la transmisión, pues ello facilita la recuperación y nuevo empleo del aceite. Los aceites para cilindros con 7 a 28 grados Engler son también buenos aceites para la transmisión.

Conducción del aceite como en las máquinas de vapor. El consumo de aceite de los compresores es tan sólo la tercera parte de los que se indico para las máquinas de vapor.

Para economizar el valioso aceite para cilindros, las máquinas que comprimen gases con adiciones solubles en aceite (bencina, bensol, naftalina y anhídrido sulfuroso) se emanan con emulaciones de aceite en agua. Téngase aquí preséntese las prensas de engrase son existentes son adecuadas.
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