Unidad VI.- Compresores. Introduccion.
Un compresor es una 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. Los elementos principales de esta estructura son: motor, cuerpo, tapas, enfriador y árboles. 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 motor 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.
Fig.1. Elementos que componen el compresor.
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 través de los huelgos axiales, en el buje del motor se colocan anillos de empacaduras apretados con resortes contra las superficies de las tapas. Por Por el lado lado de sa salilida da de dell árbo árboll a trav través és de la tapa tapa,, se ha co colo loca cado do un unaa junt juntaa de prensaestopas con dispositivos tensor de resortes.
6.1.- Clasificación de los compresores.
Al clasificarse según el indicio constructivo los compresores volumétricos se subdividen en los de émbolo y de motor 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. Estos al igual que las bombas mencionadas anteriormente pueden clasificarse en dos grupos: 1. Compresores de desplazamiento positivo.
COMPRESORES ALTERNATIVOS O DE EMBOLO.
El compresor de embolo, de vaivén o de movimiento alternativo, es una maquina de desplazamiento positivo que aumenta la presión de un volumen determinado de gas mediante la reducción de su volumen inicial. La compresión se verifica por el movimiento de vaivén de un embolo encerrado en un cilindro. Generalmente, el cilindro es de dobla efecto y esta accionado por un mecanismo de biela y manivela. La compresión tiene lugar en ambos extremos del cilindro, el cual suele llevar una camisa de agua para disparar el calor engendrado por la fricción de los anillos del embolo y por la empaquetadura del vástago y parte del calor de compresión. La salida del vástago en el cilindro se cierra con una empaquetadura sin escapes. Se regula la oportuna salida y entrada del gas en el cilindro mediante válvulas que se abren según cambia la presión diferencial entre el interior del cilindro y el sistema gaseoso. El proceso de compresión puede verificarse en una sola etapa termodinámica (compresión de una fase) o dividirse en varias etapas con enfriamiento intermedio del gas (compresión de varias etapas o multigradual). La compresión multigradual requiere una maquina mas costosa que la compresión unifase, pero se utiliza con mas frecuencia por varias razones: menor consumo de energía, menor elevación de temperatura del gas dentro del cilindro y menor diámetro del cilindro. Los compresores que se utilizan mas comúnmente para comprimir gases tienen una cruceta a la que se conectan la biela y la varilla del pistón. Esto proporciona un movimiento en línea recta para la varilla del pistón y permite que se utilice un embalaje simple. Se pueden utilizar pistones de acción simple o doble, dependiendo del tamaño de la maquina y el numero de etapas. En alguna maquinas, se usan pistones de acción doble, en la primera etapa y de acción simple, en las posteriores.
Fig. 2. Compresor alternativo o de embolo.
Compresor rotativo.
Se denominan compresores rotatorios o rotativos a aquellos grupos que producen aire comprimido por un sistema rotatorio y continuo, es decir, que empujan el aire desde la aspiración hacia la salida, comprimiéndolo. Se distinguen los siguientes tipos: Compresores de tornillo. Esencialmente se componen de un par de motores que tienen lóbulos helicoidales de engrane constante. La compresión por motores 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 motores 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 lóbulos y la carcaza. Las revoluciones sucesivas de los lóbulos reducen progresivamente el volumen de gas atrapado y por consiguiente su presión, el gas así comprimido es forzado axialmente por la rotación de los lóbulos helicoidales hasta 1ª descarga.
Fig. 3. Compresor de tornillo.
Compresores de paletas deslizantes. El motor es excéntrico en relación a la carcasa o el cilindro, y lleva una serie de aletas que se ajustan contra las paredes de la carcasa debido a la fuerza centrífuga. Este tipo de compresores consiste básicamente de una cavidad cilíndrica dentro de la cual esta ubicado en forma excéntrica un motor con ranuras profundas, unas paletas rectangulares se deslizan libremente dentro de las ranuras de forma que al girar el motor 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 cilíndrica es comprimida al disminuir el volumen de estos espacios durante la rotación.
Fig.4. Compresor de paletas deslizantes.
Compresores soplantes. Se conocen como compresores de doble motor o de doble impulsor aquellos que trabajan con dos motores 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 alimentador de los motores diesel o compresores de gases a presión moderada. Los motores, 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 motores de la máquina, por donde sale, no pudieron regresarse debido al estrecho juego existente entre los lóbulos que se desplazan por el lado interno.
2. COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO.
COMPRESORES CENTRÍFUGOS.
El principio de funcionamiento de un compresor centrífugo es el mismo que el de una bomba centrífuga, su diferencial principal es que el aire o el gas manejado en un compresor es compresible, mientras que los líquidos con los que trabaja una bomba, son prácticamente incompresibles. Los compresores centrífugos pueden desarrollar una presión en su interior, que depende de la naturaleza y las condiciones del gas que manejan y es virtualmente independiente de la carga del procesamiento. Las condiciones que es preciso tomar en cuenta son: 1. La presión barométrica mas baja 2. La presión de admisión mas baja 3. La temperatura máxima de admisión 4. La razón mas alta de calores específicos 5. La menor densidad relativa 6. El volumen máximo de admisión 7. La presión máxima de descarga La mayoría de los compresores centrífugos funcionan a velocidades de 3.500 RPM (revoluciones por minuto) o superiores y uno de los factores limitantes es el de la fatiga del impulsor. Los impulsores de los compresores centrífugos son por lo común motores eléctricos o turbinas de vapor o gas, con o sin engranajes de aumento de velocidad. En un compresor, como en una bomba centrífuga, la carga es independiente del fluido que se maneje. Los compresores centrífugos constan esencialmente de: caja, volutas, rodetes impulsores, un eje y un sistema de lubricación. Las volutas convierten la energía cinética del gas desarrollada por los impulsores en energía potencial o presión. La caja es la cubierta en que van ajustadas las volutas y esta proyectada para la presión a la que se ha de comprimir el gas. La caja se construye adaptándola a la aplicación particular y puede ser de hierro colado, acero estructural o fundición de acero.
Fig. 5. Compresor centrifugo.
La compresión de un gas en un compresor centrífugo requiere con frecuencia un medio de ocluir el gas para evitar su fuga a la atmósfera o su contaminación. Existen varios tipos de oclusores: 1. el de cierre mecánico con anillo de carbón. 2. el gas inerte. 3. el directo de aceite en el cojinete del compresor y los de gasto de aceite. Todos están diseñados principalmente como cierre de funcionamiento y no de paro. Los compresores centrífugos se utilizan para una gran variedad de servicios, incluyendo: 1. Enfriamiento y desecación. 2. Suministro de aire de combustión a hornos y calderas. 3. Sopladores de altos hornos, cúpulas y convertidores. 4. Transporte de materiales sólidos. 5. Procesos de flotación. 6. Por agitación y aireación, por ventilación. 7. Como eliminadores y para comprimir gases o vapor. Compresor Axial.
El compresor axial se desarrollo para utilizarse con turbinas de gas y posee diversas ventajas para servicios en motores de reacción de la aviación. Su aceptación por la industria para instalaciones estacionarias fue lenta; pero se construyeron varias unidades de gran capacidad para altos hornos, elevadores de la presión de gas y servicios en túneles aerodinámicos. En los compresores de este tipo, la corriente de aire fluye en dirección axial, a través de una serie de paletas giratorios de un motor y de los fijos de un estator, que están concéntricos respecto al eje de rotación. A diferencia de la turbina, que también emplea los paletas de un motor y los de un estator, el recorrido de la corriente de un compresor axial va disminuyendo de área de su sección transversal, en la dirección de la corriente en proporción a la reducción de volumen del aire según progresa la compresión de escalón a escalón.
Fig. 6. Compresor axial.
Una vez suministrado el aire al compresor por el conducto de admisión, pasa la corriente a través de un juego de paletas directores de entrara, que preparan la corriente para el primer escalón de del compresor. Al entrar en el grupo de paletas giratorios, la corriente de aire, que tiene una dirección general axial se defecta en la dirección de la rotación. Este cambio de dirección de la corriente viene acompañado de una disminución de la velocidad, con la consiguiente elevación de presión por efecto de difusión. Al pasar la corriente a través del otro grupo de paletas del estator se lo para y endereza, después de lo cual es recogida por el escalón siguiente de paletas rotatorios, donde continúa el proceso de presurización. Un compresor axial simple puede estar constituido teóricamente por varias etapas según sea necesario, pero esto puede producir que a determinadas velocidades las ultimas etapas funcionen con bajo rendimiento y las primeras etapas trabajen sobrecargadas. Esto puede ser corregido ya sea con extracción de aire entre etapas o se puede conseguir mucha mayor flexibilidad y rendimiento partiendo el compresor en dos sistemas rotatorios completamente independientes mecánicamente, cada uno arrastrado por su propia turbina. El compresor de alta tiene paletas más cortos que el de baja y es mas ligero de peso. Puesto que el trabajo de compresión de compresor de alta trabaja a mayor temperatura que el de baja se podrán conseguir velocidades mas altas antes de que las puntas de los paletas alcancen su número de Mach límite, ya que la velocidad del sonido aumento a mayor temperatura. Por consiguiente el compresor de alta podrá rodar a mayor velocidad que el de baja. El aire al salir del compresor pasa a través de un difusor que lo prepara para entrar a la cámara de combustión.
6.2.- Análisis de la primera ley de la termodinámica en un compresor reciprocante.
Los compresores reciprocantes abarcan desde una capacidad muy pequeña hasta unos 3000 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 reciprocantes. El número de etapas o cilindros se debe seleccionar con relación a las o temperaturas de descarga, tamaño disponible para los cilindros y carga en el cuerpo o biela del compresor. Los tamaños más bien pequeños, hasta unos 100 HP, pueden tener cilindros de acción sencilla, enfriamiento con aire, y se pueden permitir que los valores de aceite en el deposito se mezclen con el aire o gas comprimidos. Estos tipos sólo son deseables en diseños especiales modificados. La primera ley de la termodinámica, también conocido como principio de conservación de la energía para la termodinámica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bien éste intercambia calor con otro, la energía interna del sistema cambiará. Visto de otra forma, esta ley permite definir el calor como la energía necesaria que debe intercambiar el sistema para compensar las diferencias entre trabajo y energía interna.
Se observa que las turbinas producen energía, mientras que los compresores, bombas y ventiladores requieren consumir energía. La transferencia de calor que proviene de las turbinas es practicante despreciable (Q ≈ 0) debido a que por lo general están bien aisladas. En los compresores la transferencia de calor también es despreciable a menos que haya enfriamiento intencional. Los cambios de energía potencial se consideran despreciables para todos estos dispositivos (∆ep ≡ 0). Las velocidades involucradas en estos aparatos, con excepción de las turbinas y los ventiladores, son por lo general demasiado bajas para producir un cambio significativo de energía cinética (∆ec ≡ 0). Las velocidades del fluido encontradas en la mayoría de las turbinas son muy altas y el fluido experimenta un cambio significativo en su energía cinética. Sin embargo, este cambio es muy pequeño en relación con el cambio en la entalipìa y por esto es que, a menudo, se ignora.
6.3.- Minimizaciòn del trabajo de compresión.
Recientemente se demostró que la entrada de trabajo en un compresor se minimiza cuando el proceso de compresión tiene una ejecución internamente reversible. Cuando los cambios en las energías cinética y potencial son despreciables, el trabajo del compresor esta dado por:
w rev, en = ∫ v dP Una manera evidente de minimizar el trabajo del compresor es aproximarlo tanto como sea posible a un proceso internamente reversible con lo que se minimizan irreversibilidades como la fricción, la turbulencia y la compresión en no cuasi equilibrio. El grado en que puede lograrse esta limitado por consideraciones económicas. Una segunda manera de reducir el trabajo del compresor es mantener el volumen especifico del gas tan pequeño como sea posible durante el proceso de compresión. Esto se logra si se mantiene la temperatura del gas en el valor mas bajo posible durante la compresión, puesto que el volumen especifico de un gas es proporcional a la temperatura. Por tanto, reducir la entrada de trabajo a un compresor requiere que el gas se enfríe cuando se comprime. Para una mejor interpretación del efecto de enfriamiento durante el proceso de compresión, compare los requerimientos de entrada de trabajo para 3 tipos de procesos: un proceso isoentropico, un proceso politropico y un proceso isotérmico. Si se supone que los 3 procesos se realizan entre los mismos niveles de presión (P1 y P2), de un modo internamente reversible y que el gas se comporta como un gas ideal (Pv = RT), se observara que el trabajo de compresión se determina con la integración en la ecuación anteriormente vista para cada caso, con los siguientes resultados: Isoentropico ( Pv k = constante):
Politropico ( Pv n = constante):
Isotérmico ( Pv = constante):
Compresión por etapas múltiples con interenfriamiento.
A partir de los argumentos anteriores se deduce que enfriar un gas cuando se comprime es deseable puesto que reduce la entrada de trabajo requerida en el compresor. Sin embargo, con frecuencia no es posible tener un enfriamiento efectivo a traves de la carcasa del compresor y es necesario emplear otras tecnicas para lograrlo. Una de esas tecnicas es la compresion por etapas multiples con interenfriamiento, donde el gas se comprime en etapas y se enfria entre cada una de ellas al pasar por un intercambiador denominado interenfriador. En teoria, el proceso de enfriamiento sucede a presion constante, y el gas se enfria hasta la temperatura inicial T1 en cada interenfriador. La compresion por etapas multiples con interenfriamiento es muy atractiva cuando un gas se va a comprimir a presiones muy elevadas.
6.4.- Eficiencia isotérmica del compresor.
Un proceso isotérmico es el que se efectúa a temperaturas constates, T = C. Si para un gas ideal la temperatura se mantiene constante: Ah=0 y !J = Q En un proceso Isotérmico: Q = P1 V1 In (V,/V,> kgm (o pie Lb) Vl = P2 v2 por lo tanto:
El rendimiento total o general, llamado comúnmente rendimiento , del compresor, es:
El trabajo ideal puede ser isotérmico o al isentrópico; generalmente, es el trabajo isentrópico. Con respecto a los compresores rotativos, en los cuales el enfriamiento durante la compresión es casi siempre despreciable, usaremos el rendimiento del compresor como:
en donde 2' es el estado real (estancamiento o estacionamiento), del fluido en la descarga o impulsión, i el estado 2 está a la misma presión que el 2' pero a lo largo de una línea isentrópica desde 1.
6.5.- Eficiencia isoentropica del compresor.
Un proceso adiabático es aquel en que no se trasmite calor 0 = 0. Un proceso isentrópico se define como un proceso reversible adiabático, que es uno de entropia constante. Para un flujo a través de un compresor de W’ kg (o bien Ib) con calor específico constante. Se tiene que: 14 = w' (hl - h2) = Cp (Tl w T2)
La eficiencia isoentropica de un compresor es definida como la relación entre el trabajo de entrada requerido para elevar la presión de un gas a un valor especifico de una manera isoentropica y el trabajo de entrada real:
Advierta que la eficiencia del compresor isoentropico se define con la entrada de trabajo isoentropico en el numerador en ves de en el denominador. Debido a que w s, es una cantidad mas pequeña que w a, y esta definición evita que ns se vuelva mayor a 100%, lo que implicaría erróneamente que los compresores reales se desempeñan mejor que los isoentropicos. Observe también que las condiciones de entrada la presión de salida del gas son las mismas, tanto para el compresor real como para el isoentropico. Cuando los cambios en la energía cinética y potencial son despreciables, el trabajo de entrada para un compresor adiabático se vuelve igual al cambio en la entalipìa, entones:
Cuando los cambios en las energias potencial y cinetica de un liquido pueden ignorarse, la eficiencia isoentropica de una bomba se define como:
6.6.- Trabajo ideal del compresor.
Un proceso es una interacción entre un sistema y sus alrededores, y un proceso reversible no involucra irreversibilidades asociadas con cualquiera de ellos. Un proceso se denomina internamente reversible si no hay irreversibilidades dentro de las fronteras del sistema durante el proceso. En el transcurso de un proceso internamente reversible, un sistema sigue una serie de estados de equilibrio, y cuando se invierte el proceso, el sistema pasa exactamente por los mismos estados de equilibrio mientras regresa a su estado inicial. Un proceso recibe el nombre de externamente reversible si no ocurren irreversibilidades fuera de las fronteras del sistema durante el proceso. L a transferencia de calor entre un deposito y un sistema es un proceso externamente reversible si la superficie de contacto entre el sistema y el deposito se encuentran a la temperatura de este ultimo. Un proceso es llamado totalmente reversible, si no incluye irreversibilidades dentro del sistema ni en sus alrededores. El ciclo teórico de trabajo de un compresor ideal se entiende fácilmente mediante el estudio de un compresor monofásico de pistón funcionando sin pérdidas y que el gas comprimido sea perfecto. Con ésto se da por hecho que el pistón se mueve ajustado herméticamente al cilindro, e incluso se considera que el paso del aire hacia y desde el cilindro tiene lugar sin resistencias en válvulas y conductos, es decir, sin cambio de presión. El volumen de desplazamiento de un compresor es el volumen barrido en la unidad de tiempo por la cara o caras del pistón de la primera etapa, en el caso de doble efecto, hay que tener en cuenta el vástago del pistón. El volumen desplazado V D por un compresor es el volumen de la cilindrada de la máquina multiplicado por el número de revoluciones de la misma. En el caso de ser un compresor de más de una etapa, el volumen engendrado viene indicado por la primera etapa. El espacio muerto o volumen nocivo V 0 corresponde al volumen residual entre el pistón y el fondo del cilindro y las lumbreras de las válvulas, cuando el pistón está en su punto muerto, estimándose entre un 3% ¸ 10% de la carrera, de acuerdo con el modelo de compresor. Esto provoca un retraso en la aspiración debido a que el aire almacenado en el volumen residual a la presión p2 debe expansionarse hasta la presión p1 antes de permitir la entrada de aire en el cilindro. Sin embargo, su efecto es doble en razón a que si por un lado disminuye el volumen de aspiración, por otro ahorra energía, ya que la expansión produce un efecto motor sobre el pistón; se puede considerar que ambos efectos se compensan bajo el punto de vista energético.
Si el compresor no tuviese espacio muerto, el volumen residual entre el punto muerto superior PMS y las válvulas de aspiración y escape sería 0; esta salvedad se hace en virtud de que la compresión del aire no se puede llevar, por razones físicas, hasta un volumen nulo, existiendo al extremo de la carrera del compresor un espacio muerto, que se corresponde con el menor volumen ocupado por el gas en el proceso de compresión.
6.7.- Trabajo real del compresor.
Los factores que causan la irreversibilidad de un proceso se llaman irreversibilidades. Entre ellos están la fricción, la expansión libre, la mezcla de dos fluidos, la transferencia de calor a través de una diferencia finita de temperatura, la resistencia eléctrica, la deformación inelastica de sólidos y las reacciones químicas. Los procesos irreversibles (o reales) se hacen presentes en numerosos fenómenos naturales. En realidad, la idea de un proceso reversible es solo una idealización ya que todo proceso es irreversible a nivel macroscopico. Siendo este el caso, el estudio de este tipo de procesos se hace muy importante para la termodinámica. el trabajo real se calcula fijando una eficiencia isoentrópica para el compresor o mediante el cambio de entalpía entre las corrientes de salida y entrada en el compresor, es decir:
En la siguiente figura se representa en un diagrama p-v, el ciclo real de un compresor:
Al desplazarse el émbolo hacia su punto muerto inferior, causa una depresión en el interior del cilindro que obliga a la válvula de aspiración a abrirse, llenando de aire el cilindro. Una
vez alcanzado el PMI, el émbolo inicia el retorno hacia el PMS, provocando un aumento de presión que obliga a la válvula de aspiración a cerrarse, lograda la presión de descarga, se facilita la apertura de la válvula de descarga, y la salida del aire comprimido. Al llegar al PMS, el émbolo se mueve en sentido contrario (hacia el PMI), dando lugar a la expansión del gas acumulado en el espacio muerto, hasta conseguir de nuevo una presión inferior a la de aspiración y continuar un nuevo ciclo.
