1. NOCIONES DE COMPRESORES INDUSTRIALES1.1. Teora bsica de la compresinDe forma simplificada, la Figura 1.1 muestra un compresor alternativo para describir el proceso de compresin, es decir el aumento de presin de un gas reduciendo su volumen. Las vlvulas de aspiracin y compresin tiene el comportamiento que se describe en funcin del movimiento longitudinal del embolo o pistn.

Figura 1.1 La vlvula de aspiracin abre cuando la presin en el interior del cilindro es inferior a la que tiene la tubera de aspiracin. La vlvula de impulsin abre cuando la presin en el interior del cilindro es superior a la que tiene la tubera de impulsin.

La Figura 1.2 muestra la curva de respuesta presin-volumen que se obtiene cuando se realiza un ciclo de compresin con el sistema representado en el Figura 1.1.

Cuando el pistn se desplaza a la derecha, la vlvula de impulsin cierra y la de aspiracin abre. El gas se aspira a la presin P1, hasta alcanzar el lmite de recorrido del pistn.

Figura 1.2 Cuando el pistn se desplaza a la izquierda, la vlvula de aspiracin cierra y el gas se comprime hasta alcanzar la presin P2 existente en el tubera. En este momento se abre la vlvula de impulsin y el gas se mantiene a presin constante hasta alcanzar el lmite de recorrido del pistn.

En un compresor se realiza una transformacin prcticamente adiabtica, es decir, el sistema no gana ni pierde calor. Esto es debido a que la trasmisin de calor es un fenmeno relativamente lento y la compresin se realiza de forma rpida.El proceso desarrollado como ejemplo se realiza sin intercambio de calor con el medio externo, aunque se eleve la temperatura del gas como consecuencia de la elevacin de presin, como se ver ms adelante. De acuerdo a la ecuacin de los gases perfectos, la temperatura de un gas se puede elevar a distintas condiciones termodinmicas, tales como a presin constante (proceso isobrico), volumen constante (proceso isocrico), ambos variables, etcEn el proceso de compresin se tiene en cuenta las capacidades calorficas del gas, o calores especficos medios, a presin constaste (Cp), y volumen constante (Cv), o mejor an la relacin entre ambas, denominada normalmente K.

Figura 1.3Al intercalar un enfriador entre cada dos etapa consecutiva, tal como aparece en la Figura 1.3, disminuye el consumo de energa en el compresor, puesto que se reducen las prdidas de potencia que provienen del calor generado en el compresin. Asimismo la densidad del gas comprimido se incrementa refrigerndolo, por lo que misma masa ocupa menos volumen. La refrigeracin intermedia se considera perfecta si se consigue que el gas a la salida del enfriador tenga la misma temperatura que en lado de aspiracin de la etapa correspondiente,

1.2. Clasificacin de los compresoresLa Figura 1.4 muestra grficamente los distintos tipos de compresores ms utilizados en la industria. Bsicamente existen dos tipos de compresores: dinmicos y de desplazamiento.

Figura 1.4 En los dinmicos, el aumento de presin se obtiene comunicando energa cintica al gas y convirtiendo esta energa en presin por medio de difusores. A este tipo pertenecen los compresores centrfugos o radiales, y los compresores axiales. Los de desplazamiento positivo, primero atrapan un volumen de gas y despus lo desplazan y reducen a un volumen ms pequeo, consiguiendo de esta manera el aumento de presin. Este tipo se divide a su vez en dos grupos: Compresores rotativos Compresores alternativos Al grupo de rotativos pertenecen como ms importantes: los de paletas, los de tornillo y los de ruedas ovales o de dos impulsores. En cuanto a los alternativos, se pueden citar como ms significativos: los de pistn de simple o doble efecto, los de pistn de laberinto y los de diafragma. En aplicaciones especiales se pueden combinar distintos tipos de compresores, por ejemplo, para elevadas relaciones de compresin se pueden utilizar centrfugos junto con alternativos o para grandes volmenes, compresores axiales junto con radiales. La cantidad de un compresor es la cantidad de gas que mueve en cada unidad de tiempo, como puede ser m3/h, kg/h, etc. Normalmente representa el volumen de gas antes de ser comprimido, de ah que deba ser medido en la aspiracin. Por ltimo, para el accionamiento de los compresores, se utilizan elementos conductores tales como turbinas de vapor, turbinas de gas o motores elctricos, dependiendo de la forma de energa disponible, asimismo dependiendo de cada aplicacin en concreto se utilizan conjuntos multiplicadores o reductores de velocidad entre el compresor y el equipo conductor por medio de sistemas de engranajes. La Figura 1.5 muestra un sistema, de acoplamiento entre un elemento conductor y un compresor a travs de un sistema de engranajes con efecto multiplicador de velocidad.

Figura 1.5Cuando se trata de equipos de gran tamao disponen de una serie de medidas para vigilar continuamente el correcto funcionamiento. En la Figura 1.5 aparecen los siguientes tipos de medida: Temperatura: para conocer la que tienen los cojinetes sobre los que apoyan los diferentes ejes, tanto del compresor como del elemento conductor y los del sistema multiplicador de velocidad. Vibraciones: para conocer los desequilibrios que se puedan producir por algn tipo de avera. Desplazamiento axial de los ejes: tambin para detectar averas antes de que se produzcan daos importantes en la mquina.

1.3 Control de velocidadAunque existen diversos mtodos de control de velocidad para compresores, aqu solo se menciona un sistema que mantenga la presin de aspiracin del compresor modificando la velocidad del mismo. El driver para mover el compresor es una turbina de vapor considerado de alta presin, con extraccin de vapor de baja presin y condensado. La Figura 1.6 muestra un diagrama del sistema de control de velocidad y extraccin del ejemplo propuesto.

Figura 1.6Cuando aumenta la presin del gas de proceso, el sistema de control har que pase ms vapor por la turbina, aumentando la velocidad de esta y por lo tanto la del compresor. De esta manera aumentara el pase de caudal a travs del compresor y como consecuencia se reestablecer la presin. Cuando la presin de gas de proceso disminuye, lgicamente se producir el efecto contrario.Las turbinas de vapor se utilizan normalmente para mover compresores centrfugos con velocidad variable, y pueden ser acopladas directamente al compresor o por medio de trenes multiplicadores o divisores de velocidad como el que aparece en la Figura 1.5. La velocidad se ajusta modificando la apertura de una vlvula de vapor.Habitualmente, la turbina se alimenta con vapor considerado a alta presion (VAP de 100, 40, 20 kg/cm2), extrayendo por una parte vapor considerado de baja presin (VBP de 40, 20, 3 kg/cm3), y por otra el condensado producido en el cambio de fase.Tanto la reduccin de presin como el cambio de fase aportan la energa que se convierte en movimiento del conjunto turbina-compresor. La turbina est equipada con un governor o sistema de control de velocidad. Aunque existen diversos tipos y fabricantes de sistemas de control de turbinas, se describe de forma simplificada el funcionamiento de uno de ellos, correspondiente al fabricante Woodward, incluyendo el sistema de extraccin de vapor y condesado. Las vlvulas de alta presin (HP) y baja presin (LP), se encuentran situadas dentro de la propia turbina, y se accionan por un sistema hidrulico.Para poner en marcha la turbina se abre lentamente la vlvula automtica (Figura 1.6), hasta alcanzar una cierta velocidad, prxima a la crtica de la turbina, a partir de la cual funcionara la vlvula de alta presin (HP). En este momento se puede abrir totalmente la vlvula automtica para dejar pasar todo el vapor que demande el sistema de control de velocidad.La salida del controlador de presin instalado en la lnea de aspiracin del compresor, enva la seal de referencia de velocidad al sistema de control, el cual modificara la posicin de la vlvula de vapor de alta presin, con objeto de aumentar o disminuir la velocidad. De esta manera, el controlador de presin mantendr la velocidad necesaria para que el gas, en el lado de aspiracin de compresor, se mantenga en el punto de consigna fijado en este controlador.La presin de extraccin se controla para mantener un valor de referencia fijado como punto de consigna en el sistema de control. La medida de la presin de extraccin se obtiene por medio del transmisor de presin instalado en la lnea de vapor de baja presin. El elemento final de control de este lazo es la vlvula de baja presin (LP).1.4 Tipos de compresores 1.4.1 Compresores centrfugosEl compresor centrifugo o de flujo radial, es una mquina que convierte la energa cintica en presin. El aumento de presin tiene lugar por medio de dos tipos de elementos, los elementos rotativos, denominados rodetes o impulsores que aceleran radialmente el fluido, tal como aparece en la Figura 1.7, y los elementos estticos denominados directores o difusores dispuestos alrededor de los impulsores, formando parte de la carcasa del compresor.Cuando el impulsor empieza a girar, los alabes fuerzan el movimiento del gas del el centro hacia la parte exterior, imprimindole velocidad. Como el gas tiende a ponerse al empuje de los alabes, se origina un aumento en la presin, por lo que se puede decir que el impulsor imprime al gas presin y velocidad, debido a la fuerza centrfuga.

Figura 1.7

Basndose en lo anterior se puede afirmar que, un compresor que utiliza la fuerza centrfuga para incrementar la presin y la velocidad de un gas, es un compresor centrfugo. El paso del fluido por la maquina es continuo desde la admisin hasta la descarga, debido a que al imprimir un impulsor de velocidad se crea una zona de baja presin en la entrada del siguiente, favoreciendo la aspiracin de este.

La figura 1.8 muestra un compresor de este tipo con cuatro impulsores, en el cual se ve que el gas que llega a un difusor se dirige a la entrada del prximo impulsor. Cada impulsor va aadiendo presin al gas, de tal forma que el trabajo realizado por un compresor se traduce en aumento de energa en el gas. Esta energa produce normalmente un aumento en la presin y temperatura del gas.

Figura 1.8El compresor centrfugo tiene una gran seguridad de funcionamiento, facilidad de regulacin y buena adaptabilidad a las condiciones de servicio de los procesos industriales. Dependiendo del tipo de construccin se pueden alcanzar presiones finales tan altas como 600 kg/cm2, siendo de utilidad para todos los gases industriales.

Debido a las caractersticas intrnsecas de este tipo de compresor, se puede decir que debe utilizarse donde se requiere mantener una presin constante dentro del proceso.

1.4.2 Compresores de flujo axial

En este tipo de mquina, la conversin de la energa cintica en presin se realiza mediante pares de hileras de alabes fijos y mviles. En la Figura 1.9 se puede ver un detalle de los alabes del rotor, los cuales estn unidos directamente al eje del compresor. Los alabes del estator estn unidos al cuerpo del compresor, como muestra la Figura 1.10. Debido a este tipo de construccin, el flujo que producen es esencialmente axial y en lnea recta a lo largo del eje, desde la entrada hasta la salida. Basndose en lo anterior, se puede afirmar que un compresor que mueve el gas paralelo al eje del rotor es un compresor axial.

Figura 1.9

En la Figura 1.10 muestra un compresor de este tipo. Al girar el rotor los alabes que tienen unidos fuerzan al gas a moverse hacia los alabes del estator. Las aberturas entre alabes del estator actan como difusores, guiando al gas al prximo juego de alabes del rotor a una presin ligeramente superior. De esta manera, cada par de hileras de alabes fijos (estator) y mviles (rotor), aumentan la presin, operando como si se tratara de una conexin en serie, partiendo de la aspiracin hasta la impulsin, los alabes suelen gradualmente ms pequeos, puesto que progresivamente el gas va ocupando menos volumen al aumentar su presin.

La regulacin de caudal se obtiene mediante la variacin de ngulo de los alabes del estator, o por variacin del nmero de revoluciones por unidad de tiempo.

Figura 1.10

El compresor axial tiene la propiedad de que con poco consumo de energa y dimensiones relativamente pequeas, puede tratar grandes volmenes. La utilizacin de este tipo de compresores est centrada principalmente en el movimiento de grandes caudales con relaciones de compresin relativamente pequeas, tales como 1 a 6. A diferencia del compresor radial, el axial debe utilizarse fundamentalmente donde se requiere mantener un caudal constante, con independencia de la presin.

1.4.3 Compresores alternativos

Los compresores alternativos son mquinas de desplazamiento positivo. El tipo ms antiguo y comn de compresor alternativo es el de pistn, bien sea de simple o de doble efecto. La Figura 1.11 muestra los esquemas simplificados de varios compresores de este tipo. El embolo aspira el fluido durante la carrera de aspiracin, lo comprime y posteriormente lo expulsa durante la carrera de impulsin.

Los ciclos de trabajo se controlan por medio de vlvulas de admisin y de escape autoaccionadas. Las vlvulas autoaccionadas funcionan por diferencia de presin para abrir o cerrar, ayudadas por pequeos resortes que aceleran el movimiento del cierre.

Figura 1.11

El embolo se mueve a travs de un conjunto de biela y cigeal. Segn cul sea la relacin de compresin deseada, los compresores se construyen con una o varias etapas. Estos compresores estn diseados para alcanzar presiones de trabajo muy altas, pueden ser hasta 1000 kg/cm2, aunque con caudales muy pequeos. Pueden utilizarse prcticamente para todos los gases industriales.

En este tipo de compresor juega un papel muy importante el control de capacidad, puesto que la misma debe ajustarse a la demanda del proceso. El control puede ser manual a automtico y a su vez continuo (variacin de velocidad, restriccin en la aspiracin, etc.) o discontinuo (marcha parada).

1.4.4 Compresores rotativos

Igual que los compresores alternativos, los rotativos son mquinas de desplazamiento positivo. La Figura 1.12 muestra esquemticamente el funcionamiento de un compresor rotativo de dos impulsores en forma de ruedas ovales. En este tipo no se efecta compresin interna, sino que la misma se produce por contraflujo de la descarga cada vez que un rotor gira dejando abierta la salida.

Figura 1.1Este conjunto tambin se utiliza como soplante, como bomba de vaco y como medidor de caudal.

El principio de funcionamiento est basado en que cada revolucin de las ruedas ovaladas, se transporta desde la entrada hasta la salida un volumen que corresponde a la capacidad de la cmara formada entre la rueda y la cascara.

En la figura 1.13 se representa otro compresor de tipo rotativo llamado de paletas, el cual est formado por una caja cilndrica en la que gira un rotor montando excntricamente y provisto de ranuras radiales donde se deslizan las paletas. Debido al movimiento giratoria rpido del rotor, las paletas se lanzan hacia afuera por la accin de la fuerza centrfuga, deslizndose sobre la pared del cilindro y subdividiendo la cmara de trabajo, en forma de media luna, en clulas individuales de distinto volumen.

Figura 1.13

Al girar el rotor, aumentan de volumen las clulas del lado de aspiracin y el fluido entra en ellas. El siguiente giro del rotor hace que el volumen de las clulas se reduzca de nuevo, efectuando a la vez la compresin del fluido que se encuentra encerrado en ellas. Estos compresores se pueden utilizar tambin como bombas de vaco, pudiendo alcanzar con algunos compresores de este tipo hasta 99,9% de vaco.

Pueden trabajar prcticamente todos los gases industriales, siendo el rango de trabajo desde el vaco antes mencionado hasta 10 o 15 kg/cm2, aunque una aplicacin muy normal es la de servicios donde es necesario obtener vaco.