ANTECEDENTES Tras cientos de años de una evolución continua, en que nuestros antepasados siguieron curioseando y buscando soluciones a sus problemas diarios, llegó la era del metal y con ella, las pequeñas fundiciones con las que fabricar armas, utensilios y joyas. Se cuenta que estos antiguos herreros, cuando fundían el metal, gritaban al fuego para avivarlo. Evidentemente, al gritar soplaban sobre el fuego avivando la llama. Es de suponer que fundir una espada o una vasija a gritos sería una labor bastante pesada. Lo cierto es que fue en este tipo de trabajos donde se desarrolló la primera máquina que producía aire para avivar el fuego: el fuelle. Aproximadamente 4.000 años a.C. en el antiguo Egipto y Sumeria, aparecieron los primeros vestigios de la utilización del fuelle en el proceso de fundición del hierro para la fabricación de puntas de lanzas y ornamentos. Quién sabe si se podría considerar este primitivo fuelle el precursor del compresor. Ahora daremos un salto de gigante hasta el año 285 a.C. En esta fecha nació Ctesibio (285 - 222 a.C.), inventor y matemático griego considerado el padre de la neumática debido a que escribió el primer tratado científico sobre el aire comprimido. Aunque comprimido. Aunque se conoce muy poco de su vida, se cree que probablemente probablemen te fue el primer director del Museo de Alejandría. Desafortunadamente no se conservan sus escritos, pero sí aparecen referencias de sus trabajos en los de otros autores coetáneos. En ellos se explica el desarrollo de una bomba neumática e incluso de una catapulta neumática. Este matemático e inventor vivió en Alejandría y era hijo de un barbero, por lo que comenzó su vida como peluquero. Su primer invento f ue un espejo que tenía un sistema de regulación a base de unos contrapesos que estaban instalados en su extremo y circulaban por el interior de unos tubos. Al ser activados permitían ajustar el espejo a la altura de los diferentes clientes. Ctesibio observó que cuando el contrapeso se movía por el tubo se producía un silbido, al ser desplazado el aire de su interior. Se dio cuenta así de que el aire también era una sustancia, por lo que basó sus inventos en este hecho. Ctesibio realizó otro invento muy curioso basado en la neumática: un órgano de agua. Utilizó el efecto hidráulico de un tanque de agua para crear un circuito neumático con sus válvulas de aspiración y descarga. Con el aire que circulaba por su interior conseguía accionar un órgano y producir música. También se le atribuyen otros inventos relacionados con la hidráulica y la neumática. Como curiosidad, decir que fue Ctesibio el inventor de la válvula de regulación de nivel accionada por un corcho que flota sobre la superficie del líquido. Efectivamente, la famosa válvula de corte de agua de las cisternas de los WC de
nuestra casa. Aunque su desarrollo lo realizó para otro propósito un poco más digno; se trataba de regular el llenado del depósito de agua que accionaba un reloj hidráulico. Con esta válvula de flotador consiguió controlar el nivel máximo y mínimo del depósito y medir con bastante precisión las horas, los días y los años. Lástima que no se conserve ninguno de sus escritos. Algunos siglos después, Herón de Alejandría (20 - 62 d.C.), ingeniero y matemático, también estudió el aire en su tratado "La Neumática". A pesar de ello, es más conocido por ser el precursor de la máquina de vapor conocida como "Eolípila y la Fuente de Herón", cuya aplicación práctica en los templos le granjeó el pseudónimo de El Mago. Herón desarrolló a lo largo de su vida unos 80 aparatos mecánicos que funcionaban con aire comprimido, vapor o presión hidráulica. Herón desarrolló un sistema neumático e hidráulico para abrir las puertas del templo. El proceso era simple: el sacerdote encendía un pebetero que se encontraba en el exterior del templo, junto a la entrada; una vez encendido, el fuego calentaba el aire que se encontraba en un tubo de metal bajo el pebetero; la fuerza del aire caliente empujaba un chorro de agua que iba a parar a una enorme cuba que se encontraba bajo el templo, suspendida en el aire con un sistema de poleas. Conforme se llenaba la cuba de agua por el empuje del aire caliente, iba aumentando de peso; el peso empujaba hacia abajo el gran cubo de agua que ponía en funcionamiento el sistema de poleas cuyos pernos giraban los ejes de las puertas, haciendo que se abrieran. Simple, pero en aquella época resultaba mágico.
Como curiosidad, comentar que Herón diseñó la primera máquina expendedora del mundo. Este curioso dispositivo fue pensado para dispensar agua bendita a
los devotos; se ponía en funcionamiento cuando el devoto introducía una moneda por una ranura; en el interior, la moneda caía sobre una bandeja que accionaba una palanca acoplada a una válvula y la abría, dejando correr el agua. Como la bandeja seguía inclinándose por el efecto del peso de la moneda, llegaba un momento en que caía al interior de una caja y la bandeja recuperaba su posición inicial, cerrando la válvula y el paso del agua. Así, la máquina dispensadora quedaba lista para el siguiente devoto. A partir del siglo XVII aparecieron una serie de científicos que comenzaron con el estudio sistemático de los gases y su capacidad de uso como fuente de energía.
En 1650, Otto von Guericke (1602 - 1686), físico e ingeniero alemán, inventó la bomba aspirante. Curioso contrasentido porque el compresor nació como una máquina de vacío. Este científico estudió sobre el vacío y llegó a descubrimientos de gran importancia para la época, como que bajo vacío sí se propaga la luz, pero no el sonido; o los análisis de cómo afectaba el vacío a los procesos de combustión y a la respiración animal. Además de estos estudios, incluidos en su obra "Experimentos nuevos o de Magdeburgo sobre el espacio vacío", Otto von Guericke es conocido por el famoso experimento de los hemisferios de Magdeburgo que realizó en 1654. El experimento consistía en la colocación de dos semiesferas juntas y unidas solamente por el efecto del vacío parcial creado en su interior. i nterior. Una vez realizado dicho vacío en las esferas, quedaron unidas con tal fuerza, que ni dieciséis caballos tirando de sus extremos pudieron separarlas. Con este experimento demostró la inmensa presión que la atmósfera puede ejercer sobre una superficie; y con ello pudo explicar el concepto de presión atmosférica.
El desarrollo de los primeros compresores como máquinas se fue fraguando posiblemente con el concepto del aire como energía. Para ello fue necesario el desarrollo de conceptos y principios fundamentales sobre los gases, que realizaron científicos coetáneos de Otto vonGuericke. Nos referimos a Robert Boyle (1627 - 1691), filósofo, físico, químico e inventor de origen irlandés; y a Edme Mariotte (1620 - 1684), abad y físico francés.
Ambos desarrollaron las primeras teorías sobre los gases, siendo de vital importancia el desarrollo de la ley que relaciona la presión con el volumen y a cuya conclusión llegaron ambos: "La presión ejercida sobre una masa gaseosa es inversamente proporcional a su volumen, siempre que la temperatura sea constante P1 V1 = P2 V2". Algo más tarde, el científico, matemático e inventor francés Jacques Alexandre Cesar Charles (1746 - 1823) estableció la relación entre el volumen de un gas con su temperatura. "El incremento o disminución del volumen de un gas es directamente proporcional a su temperatura V1/T1 = V2/T2". Más o menos por la misma época, Josep-Louis Gay-Lussac (1778 - 1850), científico y matemático francés, desarrolló a partir de los estudios de su colega Charles otro de los principios fundamentales de los gases. "Considerando el volumen de un gas a presión constante, el cociente entre la presión y la temperatura permanece constante P1/T1 = P2/T2".
La revolución industrial, cuyo comienzo se establece a mediados del siglo XVIII, generó necesidades técnicas para poner en marcha procesos productivos y la maquinaria o herramienta que éstos requerían. Así y con el conocimiento existente sobre el aire comprimido como fuente de energía, comenzó la fabricación de los primeros compresores. Sería con el desarrollo de la tecnología del pistón cuando comenzase su fabricación a nivel industrial. Ya en el siglo XIX (1829) apareció la primera patente sobre un compresor atmosférico, lo que marcó el inicio de los procesos productivos e industrializados de los compresores. A partir de esa fecha y durante todo el siglo XX, el desarrollo de la tecnología de los compresores se especializa y tecnifica al máximo. Se mejoran los compresores de pistón con desarrollos de equipos de baja, media y alta presión; y se diseñan equipos para su uso con diferentes tipos de gases.
Aparecen los equipos rotativos de paletas y tornillo. Se diseñan compresores centrífugos de gran tamaño para aplicaciones donde son requeridos grandes consumos de aire. Aparece el concepto "exento de aceite", que incluye los compresores cuya tecnología permite usar un aire comprimido limpio de lubricantes. Durante este siglo el compresor se transforma en un equipo imprescindible en cualquier proceso industrial, de respiración humana o equipamiento biológico. Alrededor de los compresores nace una industria paralela muy importante con equipos para el tratamiento del aire comprimido, como secadores, filtros, separadores, sistemas de purga, recipientes, instrumentación, etc. Se crean las primeras normas internacionales que regulan la fabricación y procedimiento de pruebas de los compresores y su equipamiento adicional. El comienzo del siglo XXI se caracteriza por la búsqueda de equipos con el
menor impacto ambiental posible y por el gran desarrollo de la tecnología de la comunicación. Se comienzan a diseñar compresores de aire con sistemas de control y comunicación avanzados, empleando las últimas tecnologías, como la comunicación ModBus o ProfiBus, el control y comunicación de los equipos vía Internet o telefónica, etc. También en este siglo se intensifica la búsqueda de soluciones técnicas para la producción de aire comprimido exento de aceite. Aparecen nuevos compresores que no requieren de sistemas de lubricación, con la aplicación de rodamientos magnéticos o de lámina de aire con los que se consigue que los rotores leviten en su interior sin la necesidad de uso de lubricantes.
Las industrias buscan soluciones más eficientes que reduzcan la huella de CO2 en la atmósfera y el consumo energético, por lo que no son solo los compresores el objeto de análisis en una instalación de aire o gases; otros elementos que también forman parte de la producción de aire comprimido son analizados en detalle. Los usuarios se preocupan del tipo de secador que se instala o de cuál es la pérdida de carga de un filtro saturado. Esto provoca que los fabricantes traten de estandarizar al máximo todos los avances relacionados con la reducción del impacto ambiental, usando sistemas de regulación de velocidad variable, motores IE3, desarrollo de tornillos y rotores más eficientes, etc. Otro aspecto que adquiere gran relevancia es el análisis más detallado de la planta de aire comprimido. Para producir aire de gran calidad con el menor consumo no solo es necesario adquirir equipos eficientes, sino disponer de una instalación que también sea eficiente. Para ello, cada vez son más las industrias que se preocupan por la detección de fugas, diseñar los trazados de tubería con criterios de máxima eficiencia, reducir los circuitos, curvas y accesorios inútiles, etc. Se busca que la pérdida de carga sea mínima y poder trabajar con niveles de presión inferiores.
El desarrollo futuro de cualquier planta de aire o gases requerirá de un análisis más detallado y completo de todos los elementos que la forman. Desde el grito al fuego, pasando por el fuelle, hasta llegar a la actualidad, la evolución del compresor ha llegado a un punto en el que no se puede considerar el compresor como una máquina independiente, sino como parte de un conjunto de equipos y sistemas necesarios para conseguir el nivel de exigencia requerido en la producción de aire o gases comprimidos. DEFINICION El compresor de tornillo es un compresor de desplazamiento positivo. El compresor de tornillo basa su tecnología en el desplazamiento del aire, a través de las cámaras que se crean con el giro simultáneo y en sentido contrario, de dos tornillos, uno macho y otro hembra. El aire llena los espacios creados entre ambos tornillos, aumentando la presión según se va reduciendo el volumen en las citadas cámaras. El sentido del desplazamiento del aire es lineal, desde el lado de aspiración hasta el lado de presión, donde se encuentra la tobera de salida. El compresor de tornillo puede ser lubricado o exento. La diferencia entre ambos estriba en el sistema de lubricación. En el compresor de tornillo lubricado, se inyecta aceite en los rotores para lubricar, sellar y refrigerar el conjunto rotórico. En el caso del compresor exento, los rotores trabajan en seco, suministrando aire sin contaminar por el aceite de lubricación.
En compresión dinámica, el aire se distribuye entre los módulos en un propulsor de compresión de rápida rotación y se acelera a una velocidad alta. El gas es luego descargado a través de un difusor, donde la energía cinética se transforma en presión estática. La mayoría de compresores dinámicos son turbocompresores con un patrón de flujo axial o radial. Todos están diseñados para caudales de gran volumen. CARACTERISTICAS Existen diversidad de compresores siendo los más conocidos: 1. Compresores rotativos de paletas 2. Compresores de tornillo lubricados 3. Compresores de pistón 4. Compresores de velocidad variable 5. Compresores de tornillo sin aceite 6. Compresores portátiles 7. Compresores de alta presión 8. Generadores de nitrógeno PSA Entre los compresores de tornillos existen dos tipos comunes como: -Sin flujo de aceite a través de la máquina.- presenta las siguientes características:
En este caso se tiene un juego entre los rotores que en ninguno momento entran en contacto. La sincronización de giro se logra mediante engranajes exteriores. En los compresores de tornillo libres de aceite el perfil utilizado para los rotores es simétrico. Debido a que estos compresores no operan con aceite presentan limitaciones en su funcionamiento impuestos por la temperatura y la diferencia de presión La acción de estos compresores operando a altas velocidades genera altos niveles de ruido. Por lo tanto, siempre deben contar con silenciadores.
-Con flujo de aceite a través de la máquina.- presenta las siguientes características:
Se descartan los engranajes sincronizadores y se transmite el movimiento por contacto directo de los rotores lubricados. El uso de aceite cambia las características del compresor de tornillo: Incrementa la capacidad de relación de presiones
No hay necesidad de una chaqueta de diseño alrededor de la carcasa. Reduce los niveles de ruido y, por ende, se descartan el uso de silenciadores. Se utiliza un filtrador de aceite a la salida del compresor. El perfil de los rotores puede ser asimétrico y simétrico. El perfil asimétrico mejora el rendimiento del compresor.
TIPOS DE COMPRESIÓN Dos principios básicos Existen dos principios genéricos para la compresión de aire (o gas): compresión dinámica y compresión de desplazamiento positivo. Compresores de desplazamiento positivo incluyen, por ejemplo, compresores reciprocantes (pistón), compresores de tipo orbital (scroll) y diferentes tipos de compresores rotativos (tornillo, diente, etc.). En compresión de desplazamiento positivo, el aire se distribuye en una o más cámaras de compresión, los cuales son cerrados después de su ingreso. Gradualmente disminuye el volumen de cada cámara y el aire se comprime internamente. Cuando la presión ha alcanzado la relación de diseño, una válvula se abre y el aire se descarga en el sistema de salida debido a la continua reducción del volumen de la cámara de compresión. En compresión dinámica, el aire se distribuye entre los módulos en un propulsor de compresión de rápida rotación y se acelera a una velocidad alta. El gas es luego descargado a través de un difusor, donde la energía cinética se transforma en presión estática. La mayoría de compresores dinámicos son turbocompresores con un patrón de flujo axial o radial. Todos están diseñados para caudales de gran volumen.
Compresores de desplazamiento positivo Una bomba de bicicleta es la forma más simple de un compresor de desplazamiento positivo, donde el aire se distribuye en un cilindro y es comprimido por un pistón móvil. El compresor de pistón tiene el mismo principio de funcionamiento y utiliza un pistón, cuyo movimiento hacia adelante y hacia atrás se logra mediante una biela y una rotación del cigüeñal. Si sólo se utiliza uno de los lados del pistón de compresión se denomina un compresor de acción simple. Si se utilizan ambos lados del pistón, el compresor es de doble acción. La relación de presión es la relación entre la presión absoluta en los lados de entrada y salida. En consecuencia, una máquina que ingresa aire a presión atmosférica (1 bar (a) y lo comprime a 7 bar tiene una relación de presión de (7 + 1) / 1 = 8.
Un compresor de desplazamiento positivo es una máquina con un caudal constante y una presión variable. Un compresor de desplazamiento proporciona una mayor relación de presión incluso a una velocidad baja. Un compresor de desplazamiento encierra un volumen de gas o aire y, a continuación, aumenta la presión por la reducción del volumen cerrado mediante el desplazamiento de uno o más miembros en movimiento.
Compresores de tornillo de doble hélice El principio de un compresor rotativo de desplazamiento en forma de doble hélice fue desarrollado durante la década de 1930, cuando se requería un compresor rotativo con flujo estable bajo diferentes condiciones de presión y alto caudal. Las partes principales del elemento de tornillo de doble hélice son los rotores machos y hembras, los cuales rotan en direcciones opuestas mientras el volumen entre ellos disminuye. Cada elemento de tornillo tiene una relación fija en su construcción, la relación de presión que depende de su longitud, el tono de la hélice y la forma del puerto de descarga. Para lograr la máxima eficiencia, la proporción de generación de presión debe ser adaptada a la presión de trabajo necesaria. El compresor de tornillo generalmente no está equipado con válvulas y no tiene fuerzas mecánicas que causan desequilibrio. Esto significa que puede trabajar a una velocidad deleje y puede combinar un gran caudal con pequeñas dimensiones exteriores. Una fuerza axial actuando, dependiente de la diferencia de presión entre la entrada y salida, debe superarse por los rodamientos. -
Compresores de tornillo libre de aceite
Los compresores de tornillo gemelos de doble hélice anteriores tenían un perfil de rotor simétrico y no utilizaron ningún líquido refrigerante dentro de la cámara de compresión. Estos fueron llamados compresores de tornillo libre de aceite o seco. Los modernos compresores de alta velocidad, sin aceite tienen perfiles tornillo asimétrica, resultando una insignificante mayor eficiencia energética, debido a la menor pérdida interna. Los engranajes externos más a menudo se utilizan para sincronizar la posición de los rotores de contra rotación. Como los rotores ni entran en contacto entre ellos ni con la carcasa del compresor, la lubricación no es necesaria dentro de la cámara de compresión. En consecuencia, el aire comprimido es completamente libre de aceite. Los rotores y el alojamiento son fabricados con la máxima precisión para minimizar la fuga desde el lado de presión a la entrada. La proporción de generación de presión está limitada por la limitante diferencia de temperatura entre la entrada y la descarga.
Esto es debido a que los compresores de tornillo libre de aceite frecuentemente se construyen con varias etapas y con interetapas de enfriamiento para llegar a mayores presiones.
Figura 1: Esquema típico de lubricación por aceite entre los elementos del compresor tipo tornillo
Figura 2: Compresor tipo tornillo de una etapa lubricado por aceite.
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Compresores de tornillo de líquido inyectado
En compresores de tornillo de líquido inyectado, un líquido se inyecta en la cámara de compresión y a menudo en los cojinetes del compresor. Su función es enfriar y lubricar el elemento compresor de piezas en movimiento, enfriar el aire que está siendo comprimido internamente y para reducir la fuga de regreso a la entrada. Hoy el aceite es el líquido más comúnmente inyectado debido a sus buenas propiedades de lubricación y de sellado, sin embargo, otros líquidos también se utilizan, por ejemplo, agua o polímeros. Los elementos del compresor de tornillo con inyección de líquido pueden ser fabricados para alta relación de presión, una etapa de compresión suele ser suficiente para alcanzar una presión hasta 14 e incluso 17 bar, aunque a expensas de la reducción de la eficiencia energética.
Figura 3: Inyección de aceite para compresores de tornillo de líquido inyectado
Figura 4: Diagrama de flujo de aceite La descarga tiene lugar cuando uno de los rotores abre el puerto de salida y el aire comprimido es forzado a salir de la cámara de compresión. Ambos rotores se sincronizan a través de un conjunto de ruedas dentadas. La relación de presión máxima obtenible con un compresor de engranaje libre de aceite está limitada por la limitante diferencia de temperatura entre la entrada y la descarga. En consecuencia para presiones altas es necesario varias etapas con refrigeración intermedia.
PARTES DE UN COMPRESOR A TORNILLO 1. Engranaje de sincronización: los dos tornillos no se encuentran en contacto, por ello es necesario este engranaje para que ambos giren en el sentido correspondiente. 2. Rodamiento del rotor: permite el movimiento del eje del rotor. 3. Separador: mantiene separadas la zona de compresión (lugar donde se encuentran los tornillos) y la zona de transmisión (lugar donde se encuentran los rodamientos, engranajes de sincronización, etc.) 4. Rotor hembra: es el que se encuentra formado por alvéolos (cavidades). 5. Empaquetaduras: no permite que el aceite salga de la zona de compresión. 6. Piñón: transmite el movimiento al sistema. 7. Chaqueta refrigeradora: mantiene la temperatura del sistema constante, ya que ésta aumenta cuando el equipo se encuentra trabajando.
8. Rotor macho: es el que se encuentra formado por lóbulos. 9. Agujero de ventilación: permite regular, conjuntamente con la chaqueta refrigeradora, la temperatura del equipo. 10. Puerto de salida de aceite: permite la salida de aceite al exterior del equipo. 11. Agujero de drenaje: permite la salida del aceite de la cámara de compresión. 12. Pistón de equilibrio: mantiene a los dos ejes a la misma distancia.
FUNCIONAMIENTO DE COMPRESOR: FUNCIONAMIENTO DE UN COMPRESOR DE TORNILLO 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.
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.
USOS GENERALES PARA UN COMPRESOR DE TORNILLO
Líneas industriales de producción. Procesos de pintado y aplicación de adhesivos. Industria mueblera. Hogar. Hospitales. Sand blast. Industria militar. Industria de la construcción. Industria Aeronáutica. Inyección de plástico, Flex pet.
FUENTE: https://compresoresblog.wordpress.com/2015/02/09/compresores-de-tornillo-y-susaplicaciones/
RECOMENDACIONES
En los sistemas de aire comprimido siempre existen nuevas posibilidades para hacer implementaciones que hagan más eficiente su funcionamiento y por lo tanto ahorrar energía. También debemos de recordar que el aire comprimido puede ser una de las formas más costosas de producir energía, por esta razón en esta publicación queremos compartir dos recomendaciones bastante usuales para hacer más eficiente el sistema de aire comprimido. Mejorar la calidad del aire comprimido en la succión.
La temperatura del aire determina su densidad. Esto quiere decir que un ambiente en donde el aire está a mayor temperatura, se va a requerir más energía para comprimirlo. Existen muchas instalaciones en donde el compresor está en un cuarto sin mucha ventilación, esto ocasiona un ambiente con mucha mayor temperatura. Es recomendado en este caso posicionar los compresores en donde puedan tener un aire más fresco o mejorar la instalación del cuarto para que pueda tener acceso a aire fresco. También los contaminantes en el aire pueden tener un impacto en la eficiencia. El aire con partículas contaminantes normalmente disminuye la eficiencia de succión del equipo de aire comprimido.
El almacenamiento del aire comprimido
Contar con un tanque de almacenamiento tiene grandes beneficios como lo es tener una presión más estable y reducir la demanda en su equipo de aire comprimido. Sin embargo es importante tener un tanque dimensionado correctamente en relación al caudal de aire de su equipo.
Un tanque de almacenamiento en conjunción con un controlador de flujo y presión pueden llevar sus sistema de aire comprimido a una mayor eficiencia. Estas son dos recomendaciones que hacemos en muchos casos y que ti enen un impacto en la eficiencia y ahorro de energía de los equipos; pero el consejo que hacemos con más frecuencias es siempre recurrir a mantenimientos preventivos; cada uno de estos mantenimientos es la oportunidad perfecta para detectar puntos de mejora.
FUNCIONAMIENTO ………..
Compresores de tornillo en la minería En la minería son utilizados para actividades que requieren de un considerable esfuerzo físico o mecánico. Donde podemos encontrar equipos que son capaces de resistir condiciones de humedad, presión, temperatura e incluso explosiones. Son usados preferentemente debido a su bajo ruido en obras tales como:
Compresores para maquinarias de perforación
Perforadoras, martillos.
Transporte de materiales en la mina.
Extracción y limpieza de aire.
Se emplean las compresoras debido a que el acceso a la corriente eléctrica en estos grandes túneles puede ser complicado en ocasiones.
Empresas que fabrican o comercializan compresores de tornillo Algunas empresas internacionales que fabrican y comercializan compresoras de tornillo son:
INGERSOLL-RAND Sector Industrial: En el rubro de compresores de tornillo esta empresa se dirige al sector del aire comprimido
Equipos: Tiene los siguientes modelos clasificados en lubricados y no lubricados.
LUBRICADOS
NO LUBRICADOS
Serie UP 5 – 15 HP
Nirvana oil-free 50 -200 HP
Serie 15 – 50 HP
Sierra oil-free 50-400 HP
Serie SSR 50 – 100 HP Serie R90 – 160IU 125 – 200 HP Serie SSR 250 – 450 HP Serie SSR 2 – Etapas 100 – 500 HP
ATLAS COPCO Sector Industrial: En los sectores construcción, fabricación y minería provee compresores de tornillo transportables para accionar herramientas neumáticas como las herramientas de perforación, martillos, aplanadoras. Para el sector de procesos industriales provee compresores de tornillo estacionarios. E quipos trans portables c on inyección de aceite
Series de menos de 500 CFM/ Entre 100 y 204 PSIG XA(T,H)S KD7/DD7
70
Serie Superior a 500 CFM/ Entre 100 y 204 PSIG
Series Superior a 500 CFM/ más de 204 PSIG
–
185 XA(M) (H)S 500 – 750 CD6 XR(H,V)S 700 – 1100 CD6
XA(T,H)S 70 – KD7/DD7 HardHat
185 XA(M,T,H,V)S 500 – 850 XR(V,X)S 1200 – 1250 CD7 CD6
XAHS 250 – 300 DD7
X(M,T,H,V)S 830 – 1150 Twinair XAH 2250 & XRV CD6 2000
XA(H,T,V)S 300 – 375 XAS 1600 CD6 DD7
DrillaIR XR(V,X)S 1240 – 1350 CD7
E quipos E s tacionarios
Series de Compresores Lubricados
Serie de Compresores Exentos de Aceite
Series de Compresores para PET
GX 2 – 11
AQ 30 – 55 / AQ 37 – 55 ZD 1200 – 4000 Y VSD VSD
GN 4 – 18
ZR/ZT55 –90 y ZR/ZR90 VSD
GAR 5 – 30
ZE/ZA 3 – 6 y ZE 4VSD
GA 5 – 11, GA 11+ - 30 GA 5 – 11 VSD, GA 15 – 30 VSD GA 30 + -90 / GA37 – 90VSD GA 200 – 500 GA 90+ -160+ / GA 132 – 160 VSD
COMPAIR Sector Industrial: Alimentación y bebidas, militar, aeroespacial, automoción, industrial, electrónica, fabricación, petroquímica, medica, hospitalaria, farmacéutica, aire de instrumentos.
Equipos:
Compresores de tornillo rotatorios sin aceite
Compresores de tornillo lubricados
Serie DH
Serie L
Serie D
Serie LSR
Compresores portátiles Serie C
Existen varias empresas que comercializan diferentes tipos de compresoras de tornillo; sin embargo, ninguno es fabricante solo representan marcas internacionales como Ingersoll-Rand, Atlas Copco, Sullair, Campbell Hausfeld, Kaeser, Kaishan, Schultz, etc. A continuación se muestran algunas empresas peruanas que comercializan compresores de tornillo:
Representantes de la marca Ingersoll-Rand (Aire comprimido) LA LLAVE S.A. Av. Oscar R. Benavides (ex Colonial) 2110, Lima 1, Perú
CRUBHER S.R.L. Av. Argentina 2577 - Lima 1
Representantes de la marca brasileña Sullair ( minería y construcción) ENERGÍA PERUANA S.A.C. Av. Icaro 154 Chorrillos. Lima - Perú FERREYROS S.A.A. Jr. Cristóbal de Peralta Norte 820, Surco HIDROCHIL S.R.L. Av. San Francisco 266 – Chilca, Cañete
Representantes de la marca Atlas Copco FACTORIA SANTA ISOLINA Av. Universitaria Norte 5738 - Comas M.R. PERU S.A. Calle Isaac Newton N° 137-139 Urb. San Francisco – Ate. RIVERRA DIESEL Calle 2, Mz. C, Lote 6, Urb. Industrial La Merced, Ate
Ventajas y desventajas del compresor de tornillo Para los usuarios de sistemas de aire comprimido pequeños, los compresores de pistón siguen siendo la opción más utilizada. Para la mayoría de estas aplicaciones la calidad y demanda de aire relativamente baja, hace del compresor de pistón la opción más económica. Sin embargo, un segmento de esta industria requiere una mejor calidad de aire comprimido. Un taller de reparación automotriz especializado, por ejemplo, tiene una mayor demanda de aire y requiere una mejor calidad de aire que otros talleres de servicio. Actualmente, los pequeños usuarios de sistemas de aire comprimido están dándose cuenta que sus necesidades son similares a las instalaciones industriales más grandes y que los compresores de tornillo ofrecen importantes beneficios operativos. Esto es porque dependen de un suministro constante de aire de mayor calidad.
Ciclo de trabajo y flujo. Una diferencia importante entre el compresor de tornillo y el compresor de pistón es el ciclo de trabajo. El ciclo de trabajo es el porcentaje del tiempo que un compresor puede operar sin riesgo de sobrecalentamiento y sin causar un desgaste excesivo. Un compresor de pistón puede suministrar el flujo adecuado por un periodo corto, pero su ciclo de trabajo permisible debe ser considerado. Los compresores de pistón más pequeños tienen un ciclo de trabajo permisible de 60% a 70%. Por esta razón, los compresores de pistón suelen ser sobre dimensionados para permitir que el compresor se apague periódicamente y se enfríe debido a las temperaturas relativamente altas de operación. Los compresores de tornillo tienen un ciclo de trabajo permisible de 100% y pueden operar continuamente si surge la necesidad. Esto es posible porque el compresor de tornillo es enfriado por fluido. El f luido realiza cuatro funciones importantes:
Lubricar los rodamientos
Remover contaminantes del aire
Formar un sello entre los rotores y la carcasa
Remover el calor generado por la compresión.
Comparativa del ciclo de trabajo entre compresores de pistón y compresores de tornillo
Calor y humedad Los compresores de pistón operan a temperaturas internas de 148 °C a 204 °C, mientras un compresor de tornillo opera a temperaturas internas mucho más bajas (entre 76 °C y 93 °C). Al igual que el aire caliente del verano tiene más humedad, el aire comprimido caliente puede contener mayor humedad y requiere componentes adicionales para secarlo y limpiarlo. Los compresores de tornillo modernos ya incluyen post enfriadores diseñados con un área superficial amplia y un potente ventilador para disminuir la temperatura del aire comprimido a medida que sale del compresor. En cambio, el aire de salida de un compresor de pistón es muy caliente y difícil de secar. Incluso con un post enfriador y un secador especialmente diseñado para altas temperaturas, es difícil alcanzar el mismo punto de rocío que un compresor de tornillo.
Aunque el mantenimiento rutinario de los equipos de pistón es barato, tienen mucho más arrastre de aceite y tienen temperaturas más altas de operación
Arrastre de aceite A nivel que se desgastan los pistones, cilindros, anillos y válvulas, el compresor de pistón entrega menos aire. Un efecto secundario es que más aceite lubricante consigue pasar de los anillos hacia la tubería de aire comprimido y a los puntos de uso. A esto se le conoce generalmente como “arrastre de aceite”.
Incluso los compresores de pistón nuevos pasan más aceite que los compresores de tornillo. Esto no es deseable si el proceso es un acabado. Con los compresores de tornillo, hay poco o ningún cambio dependiendo del fabricante, en el rendimiento a largo plazo debido a que los rotores no se tocan entre sí o a la carcasa, por lo que no se desgastan. El fluido del compresor actúa como un sello sin desgaste. Éste es capturado, filtrado, enfriado y recirculado. Esto alarga en gran medida la vida de la unidad de compresión y muy poco lubricante ingresa a la red.
Eficiencia energética Los compresores de tornillo normalmente entregan más aire por unidad de energía de entrada que los compresores de pistón. Los compresores de pistón nuevos generalmente entregan de 3 a 4 CFM por HP. Los compresores de tornillo entregan de 4 a 5 CFM por HP. Como se paga por kWh usado, es más adecuado y práctico comparar eficiencias en términos de kW y CFM.
Los compresores de tornillo tienen un costo inicial alto, pero puede ser una solución rentable a largo plazo
Mantenimiento El mantenimiento de rutina para el compresor de pistón es simple y barato. Se suele revisar, cambiar bandas de transmisión, filtros de admisión y aceite lubricante. También es común añadir “aceite de reposición” debido al arrastre de aceite, y hacerlo con
frecuencia reducirá lentamente el desgaste del compresor. Los compresores de tornillo requieren de un mantenimiento más extensivo que los compresores de pistón, incluido el filtro para aceite y el separador. Los costos anuales por mantenimiento de rutina serán más altos. Las unidades de pistón, sin embargo, llegarán al punto en que necesiten mayor servicio (reconstrucción) para revertir la pérdida gradual de flujo y el incremento de arrastre de aceite. Este gasto debe ser considerado en la comparación de costos del ciclo de vida.
Nivel de ruido y vibración Un compresor de pistón tiene bien ganada su reputación por ser muy ruidoso y generar mucha vibración, por lo que puede escucharse y sentirse por toda la fábrica. Por estas razones, suelen ser colocados en cuartos separados, en esquinas olvidadas o en el exterior, expuesto a los elementos. Donde se coloque un compresor impacta directamente la calidad del aire y la vida del compresor. Los compresores de tornillo son mucho más silenciosos y producen menos vibraciones. No necesitan cuartos especiales y no necesitan ser anclados al piso para mantenerlos en un solo lugar. El sonido es lo suficientemente bajo como para tener una conversación normal cerca de la máquina (entre otras ventajas es más seguro y conveniente). Siendo relativamente silencioso y libre de vibración, estos equipos ofrecen mayor flexibilidad para elegir el lugar donde se coloquen. Esto resulta generalmente en un lugar con mejor ventilación, iluminación y acceso para servicio.
Costo real La razón principal para seleccionar un compresor de pistón es el precio de compra: bajo. Pero la comparación de costos reales se extiende más allá de la transacción inicial. Es
importante considerar todos los argumentos necesarios cuando se tenga una instalación nueva o el re-equipamiento de las instalaciones actuales.
Los compresores de tornillo son más eficientes que los modelos de pistón y no necesitan ser sobredimensionados para compensar el ciclo de trabajo limitado. Un compresor de tornillo de 7.5 HP podría realizar el trabajo de un compresor de pistón de 10 HP. Una unidad de menor potencia usará menos electricidad y reducirá los costos de operación.
Mejor calidad de aire comprimido genera ahorros significativos en el proceso.
Mejor calidad de aire comprimido alargará la vida útil de sus equipos y herramientas neumáticas.
Un compresor más confiable mantendrá a los empleados trabajando y produciendo, no esperando por la reparación del compresor.
Menos calor, ruido y vibración elimina la necesidad de un cuarto independiente.
Cada una de estas ventajas contribuye a un retorno de inversión (ROI) positivo para un compresor de tornillo. Algunas de ellas harán rápidamente una diferencia en el costo inicial. Tome en cuenta cuanto invierte en reparaciones y reposiciones de herramientas cada mes. Los ahorros compensan por muchas veces más la inversión inicial.
Diferencias entre compresores de tornillo y compresores de pistón
Conclusiones Finalmente, llegamos a la conclusión de que el compresor de tornillo tiene un excelente rendimiento y desempeño, funciona perfectamente en diferentes aplicaciones. Por otra parte, el mantenimiento es mínimo, pero cuando se requiere es necesario hacer una buena inversión y encontrar personal altamente especializado en el tema.
