Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar

la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal

comogases y los vapores. Esto se realiza a través de un intercambio

de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el

compresor es transferido a la sustancia que pasa por él convirtiéndose en energía

de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir.

Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a

diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas

térmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable

de densidad y, generalmente, también de temperatura; a diferencia de

losventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no

aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable.

TIPOS DE COMPRESORES

Funcionamiento de un compresor axial.

Clasificación según el método de intercambio de energía:

Hay diferentes tipos de compresores atmosféricos, pero todos realizan el mismo

trabajo: toman aire de la atmósfera, lo comprimen para realizar un trabajo y lo

regresan para ser reutilizado.

El compresor de desplazamiento positivo. Las dimensiones son fijas. Por cada

movimiento del eje de un extremo al otro tenemos la misma reducción en volumen

y el correspondiente aumento de presión (y temperatura). Normalmente son

utilizados para altas presiones o poco volumen. Por ejemplo el inflador de la

bicicleta. También existen compresores dinámicos. El más simple es un ventilador

que usamos para aumentar la velocidad del aire a nuestro entorno y refrescarnos.

Se utiliza cuando se requiere mucho volumen de aire a baja presión.1

* El compresor de émbolo

Es un compresor atmosférico simple. Un vástago impulsado por un motor

(eléctrico, diésel, neumático, etc.) es impulsado para levantar y bajar el émbolo

dentro de una cámara. En cada movimiento hacia abajo del émbolo, el oxígeno es

introducido a la cámara mediante una válvula. En cada movimiento hacia arriba

del émbolo, se comprime el oxígeno y otra válvula es abierta para evacuar dichas

moléculas de oxígeno comprimidas; durante este movimiento la primera válvula

mencionada se cierra. El oxígeno comprimido es guiado a un tanque de reserva.

Este tanque permite el transporte del oxígeno mediante distintas mangueras. La

mayoría de los compresores atmosféricos de uso doméstico son de este tipo.

¿Cómo funciona un compresor de pistón? En el esquema de abajo se muestra el

esquema de un compresor de pistón típico. Es en esencia una máquina con un

mecanismo pistón-biela-cigüeñal. Todos los compresores son accionados por

alguna fuente de movimiento externa. Lo común es que estas fuentes de

movimiento sean motores, lo mismo de combustión como eléctricos. En la

industria se mueven compresores accionados por máquinas de vapor o turbinas.

En este caso, cuando el cigüeñal gira, el pistón desciende y crea vacío en la

cámara superior, este vacío actúa sobre la válvula de admisión (izquierda), se

vence la fuerza ejercida por un resorte que la mantiene apretada a su asiento, y se

abre el paso del aire desde el exterior para llenar el cilindro. El propio vacío,

mantiene cerrada la válvula de salida (derecha).

Durante la carrera de descenso, como puede verse en el esquema de abajo (lado

izquierdo) todo el cilindro se llena de aire a una presión cercana a la presión

exterior. Luego, cuando el pistón comienza a subir, la válvula de admisión se

cierra, la presión interior comienza a subir y esta vence la fuerza del muelle de

recuperación de la válvula de escape o salida (esquema lado derecho), con lo que

el aire es obligado a salir del cilindro a una presión algo superior a la que existe en

el conducto de salida. Obsérvese que el cuerpo del cilindro está dotado de aletas,

estas aletas, aumentan la superficie de disipación de calor para mejorar la

transferencia del calor generado durante la compresión al exterior.

Excepto en casos especiales, en el cuerpo del compresor hay aceite para lubricar

las partes en rozamiento, así como aumentar el sellaje de los anillos del pistón con

el cilindro. Este aceite no existe en los compresores de tipo médico, usado en la

respiración asistida, debido a que siempre el aire de salida contiene cierta

cantidad de él o sus vapores.

Los compresores de doble etapa (esquema de abajo), trabajan con el mismo

sistema simple de pistón-biela-cigüeñal, con la diferencia que aquí trabajan dos

pistones, uno de alta y otro de baja presión. Cuando el pistón de alta presión

(derecha) expulsa el aire, lo manda a otro cilindro de menor volumen. Al volver a

recomprimir el aire, alcanzamos presiones más elevadas.

EL COMPRESOR DE TORNILLO: Aún más simple que el compresor de

émbolo, el compresor de tornillo también es impulsado por motores (eléctricos,

diésel, neumáticos, etc.). La diferencia principal radica que el compresor de

tornillo utiliza dos tornillos largos para comprimir el oxígeno dentro de una

cámara larga. Para evitar el daño de los mismos tornillos, aceite es insertado

para mantener todo el sistema lubricado. El aceite es mezclado con el oxígeno

en la entrada de la cámara y es transportado al espacio entre los dos tornillos

rotatorios. Al salir de la cámara, el oxígeno y el aceite pasan a través de un

largo separador de aceite donde el oxígeno ya pasa listo a través de un

pequeño orificio filtrador. El aceite es enfriado y reutilizado mientras que el

oxígeno va al tanque de reserva para ser utilizado en su trabajo.

SISTEMA PENDULAR TAUROZZI: consiste en un pistón que se balancea

sobre un eje generando un movimiento pendular exento de rozamientos con

las paredes internas del cilindro, que permite trabajar sin lubricante y alcanzar

temperaturas de mezcla mucho mayores.

ALTERNATIVOS O RECIPROCANTES: utilizan pistones (sistema bloque-

cilindro-émbolo como los motores de combustión interna). Abren y cierran

válvulas que con el movimiento del pistón aspira/comprime el gas. Es el

compresor más utilizado en potencias pequeñas. Pueden ser del tipo

herméticos, semiherméticos o abiertos. Los de uso doméstico son herméticos,

y no pueden ser intervenidos para repararlos. Los de mayor capacidad son

semiherméticos o abiertos, que se pueden desarmar y reparar.

DE ESPIRAL (orbital, scroll).

ROTATIVO DE PALETAS: en los compresores de paletas la compresión se

produce por la disminución del volumen resultante entre la carcasa y el

elemento rotativo cuyo eje no coincide con el eje de la carcasa (ambos ejes

son excéntricos). En estos compresores, el rotor es un cilindro hueco con

estrías radiales en las que las palas (1 o varias) comprimen y ajustan sus

extremos libres interior del cuerpo del compresor, comprimiendo así el

volumen atrapado y aumentando la presión total.

ROTATIVO-HELICOIDAL (tornillo, screw): la compresión del gas se hace de

manera continua, haciéndolo pasar a través de dos tornillos giratorios. Son de

mayor rendimiento y con una regulación de potencia sencilla, pero su mayor

complejidad mecánica y costo hace que se emplee principalmente en elevadas

potencias, solamente.

ROTODINÁMICOS O TURBOMÁQUINAS: utilizan un rodete con palas o

álabes para impulsar y comprimir al fluido de trabajo. A su vez éstos se

clasifican en axiales

PARTES O ELEMENTOS DE UN COMPRESOR

El tanqueEl depósito es la característica más predominante de uncompresor de aire. Es donde el aire comprimido se almacena. Éste debe tener una válvula unidireccional, también conocido como una válvula de retención, que permite que entre el aire en el depósito y evita que se escape por el mismo camino. El trabajo principal del compresor de aire es poner más aire en el tanque. El depósito también debe tener alguna manera de permitir que el aire comprimido del tanque pueda ser utilizado para alimentar dispositivos neumáticos. La válvula de salida puede ser mucho más complicada: a veces hay múltiples válvulas de egreso de diferentes diámetros, ya que algunos sistemas usan aire comprimido a presiones diferentes. Los tanques suelen tener algún sistema de seguridad para evitar que el aire se acumule peligrosamente en el mismo.

El motorEl motor de un compresor de aire puede ser a gas o eléctrico. Los motores de gas son los preferidos para ciertos usos al aire libre donde no hay fuente confiable de electricidad. Los motores pueden ser de dos tipos: de pistón o de turbina. Los motores de pistón, a menudo llamados compresores de desplazamiento positivo, usan energía de gas o eléctrica para hacer girar un cigüeñal que hace que un pistón bombee aire al tanque, casi exactamente lo contrario de cómo funcionan los pistones en un motor de combustión interna. Las válvulas de retención que impiden el reflujo se encuentran sobre las cabezas de pistón y están abiertas durante la compresión y cerradas durante la retracción. Algunos grandes compresores industriales de aire utilizan turbinas, como una bomba de compresor, para forzar el aire en el tanque.

Válvulas, medidores y accesoriosLos compresores de aire deben tener válvulas, indicadores y accesorios sofisticados para la seguridad y para obtener el aire comprimido. La más evidente de estas válvulas es la válvula de retención entre el motor y el depósito, pero por lo general existen dos válvulas de retención y otras válvulas entre el depósito y la salida. Una de ellas puede ser una válvula manual o automática que se cierra cuando hay una ruptura en el sistema, evitando así que el aire comprimido en el tanque se escape. Casi siempre hay una válvula de presión en el tanque para asegurar que la presión no llegue a ser peligrosamente alta. Esta válvula es también útil para saber cuando la presión es lo suficientemente alta como para

utilizar el compresor. En los sistemas más complejos, cuando la presión es muy alta, el motor se apaga automáticamente.

EFICIENCIA DE LOS COMPRESORES

La eficiencia en una máquina motriz es la relación de la energía de entrada entre el trabajo (energía útil) de salida, entre la energía de entrada (calor). En una máquina frigorífica o de enfriamiento, es la relación del calor o energía de entrada (refrigeración), entre el trabajo o energía de entrada requerida para producir la refrigeración

En relación a la Fig. 1 el ciclo de enfriamiento de mayor eficiencia es aquel que toma la mayor cantidad de calor QC de la máquina, con el consumo mínimo de trabajo mecánico del compresor (mínima energía eléctrica). Por lo tanto, se define como eficiencia de una máquina frigorífica o Relación de Eficiencia de Energías a la relación de QC entre W, en unidades Btu/h-W, ó Kcal./h-W.

Dado que el Watt-h es una unidad de energía eléctrica, equivalente a la energía calorífica de 3.413 Btu, se puede también expresar la eficiencia de una máquina frigorífica en término de W/W (valor sin unidades, expresado por unidad p/u) el cual se denomina Coeficiente de Funcionamiento (en inglés, Coefficient of Performance COP).

Coefficient of Performance COP; su valor es p/u, relación de la Potencia Térmica en Watts, entre la Potencia Eléctrica de entrada al Motor del compresor en Watts.

En Refrigeración; COP, Potencia Térmica de Refrigeración en Watts (Qc enfriamiento) / Potencia de Entrada (W).

En Calefacción o Bomba Térmica; COP, Potencia Térmica de Calefacción en Watts (QH Calentamiento) / Potencia de Entrada (W).

Dentro del Ciclo de Refrigeración en lo que a eficiencias concierne, el compresor es quizás el de más consideración, se ve afectado por las siguientes pérdidas o ineficiencias:

Perdidas en compresores

Eficiencia Mecánica: Es la que toma en cuenta las pérdidas de potencia mecánica, (pérdidas por fricción interna, de lubricación, bomba de lubricación, etc.). El uso de aceite especificado, con sus características adecuadas de viscosidad, lubricidad, solubilidad y miscibilidad con los refrigerantes, son determinantes en la reducción de las pérdidas por fricción.

Eficiencia Volumétrica: Debida principalmente a la reexpansión del gas refrigerante dentro del cilindro, a la fuga del gas por válvulas y anillos de pistones (blowby), obstrucción o pérdida de carga del flujo de gases refrigerantes, estas pérdidas son función de la relación de compresión en la que el compresor opera y las temperaturas de operación del ciclo.

Eficiencia Eléctrica: Es debida a que las pérdidas suceden en los motores eléctricos, la mayor de éstas está en el cobre, debido a las pérdidas por efecto Joule P=I2R, (proporcional al cuadrado de la corriente de operación del motor por la resistencia eléctrica de sus devanados). Diseños de mejor eficiencia utilizan conductores de mayor diámetro, para acomodarlos dentro del motor se requiere que éste sea de mayor tamaño con ranuras mayores, aumentando también el número de laminaciones. Otras pérdidas son las pérdidas en el hierro y en las Laminaciones, las cuales se dividen en Pérdidas por Corrientes Parásitas o de Foucault, las que se producen proporcionalmente por el efecto inductivo magnetízante de la corriente y su frecuencia eléctrica. y las Pérdidas por Histéresis causada por la magnetización y desmagnetización del rotor y el estator del motor, las cuales son función de la frecuencia eléctrica, y de los materiales de las laminaciones. La disminución del espesor de las laminaciones, aisladas eléctricamente entre ellas, y aleaciones de hierro adecuadas reducen considerablemente estas pérdidas. Rotores más grandes ayudan a disminuir estos problemas, pero las laminaciones son el factor principal para su reducción. La mayoría de los motores de uso común usan laminaciones de acero al carbón, de espesores del orden de 0.025 pg con pérdidas aprox. de 6 Watts por kg. Motores

de alta eficiencia usan laminaciones de Acero al Silicio con espesores del orden de 0.018 pg con pérdidas del orden de 3 Watts por kg. Adicional es el aislamiento de las laminaciones. Además de reducir las pérdidas magnéticas en los motores de Alta Eficiencia su temperatura de operación disminuye, y la vida del motor se aumenta, por cada 10 °F de reducción de temperatura la vida del motor y sus devanados se dobla.

Eficiencia Térmica: Debido a las pérdidas de calor en la compresión del gas en el compresor. A que la compresión no es perfectamente adiabática. La alta temperatura de la compresión hace disipar calor a través del cuerpo y las paredes del cilindro del compresor, es energía o calor perdido al medio ambiente.

Eficiencia de los Refrigerantes: Sus características presión-temperatura, su coeficiente de transmisión de calor, su coeficiente adiabático, etc.

La eficiencia del ciclo de refrigeración es variable, depende de los parámetros que lo rigen en sus dos temperaturas (y correspondientes presiones), como es bien sabido una máquina térmica debe funcionar siempre entre dos temperaturas. En nuestro caso de la Temperatura de Evaporación y la Temperatura de Condensación, ambas son continuamente variables.

La temperatura de evaporación varía de acuerdo a la aplicación de las condiciones del producto a enfriar, su temperatura de entrada, su frecuencia de rotación, humedad relativa, rapidez de enfriamiento, la carga térmica, etcétera.

La Temperatura de Condensación dependerá de las condiciones ambiéntales de temperatura; verano, invierno, etcétera, y las condiciones ambientales del lugar; Mexicali, Distrito Federal, Yucatán, Alaska. Si la temperatura ambiente aumenta 10 °F la temperatura de condensación tenderá a aumentar la misma cantidad de 10 °F, y viceversa: la temperatura (y su presión de saturación correspondiente), son función de la temperatura ambiente.