Universidad Nacional Experimental

Francisco de Miranda

Complejo Académico El Sabino

Programa de Ingeniería Industrial

Unidad curricular: Equipos máquinas e instalaciones industriales

Prof. Ing. Caracciolo Gómez. MSc.

TEMA IV. COMPRESORES

1. Introducción.

La tecnología del aire comprimido y gases, por muy estática que parezca,

se encuentra en constante evolución. Los fabricantes llevan muchos años

investigando sobre nuevos diseños que se adapten a las diferentes

exigencias del mercado. Los compresores o las bombas de vacío, tienen su

aplicación en cientos de industrias y procesos, por lo que las alternativas y

la capacidad de adaptación de los diseños de los fabricantes, son múltiples.

Lo que se conoce habitualmente como un compresor de gases, comprende

una serie de máquinas con diferentes estructuras y diseños. Los

compresores pueden ser usados para aumentar la presión o flujo de un gas

(aire, amoniaco, GNC, nitrógeno, CO2, etc.). A veces esto es intermitente

(un taller, restaurante, planta procesadora pequeña, etc.) a veces continuo

(bombeo de gasoductos, embotelladoras de gaseosas o cerveza,

sopladores de bolsas y envases plásticos, entre otros.). El uso para

aumentar presión puede ser para uso directo como inflar neumáticos,

limpiar piezas, desempolvar o para accionar algún equipo como sistema de

lubricación neumática, equipos de perforación, válvulas de control. Cada

tipo de compresor tiene ventajas para aplicaciones específicas, y los

materiales utilizados en su construcción son compatibles con ciertos gases

y/o aceites, limitando su intercambiabilidad. Los compresores en general

son similares a bombas que utilizamos para bombear líquidos. Por lo que en

general los líquidos no pueden ser comprimidos utilizando un equipo similar

al compresor La bomba aumenta presión o flujo en una relación directa.

2. Definición.

Los compresores son máquinas que tienen por finalidad aportar una energía

a los fluidos compresibles (gases y vapores) sobre los que operan, para

hacerlos fluir aumentando al mismo tiempo su presión. En esta última

característica precisamente, se distinguen de los soplantes y ventiladores

que manejan grandes cantidades de fluidos compresibles (aire por ejemplo)

sin modificar sensiblemente su presión, con funciones similares a las

bombas de fluidos incompresibles. Un compresor admite gas o vapor a una

presión p1 dada, descargándolo a una presión p2 superior. La energía

necesaria para efectuar este trabajo la proporciona un motor eléctrico o una

turbina de vapor. Puede decirse también que es un instrumento mecánico

que reduce el volumen ocupado por un gas (aire) a través de cierta presión

ejercida sobre él. Se obtiene esta presión mediante un trabajo mecánico

aportado que reciben los elementos que componen el compresor, para así

dar cumplimiento a su funcionamiento.

Entre la importancia y uso de los compresores están:

Alimentar la red de aire comprimido para instrumentos.

Proveer de aire para combustión.

Recircular gas a un proceso o sistema

Producir condiciones idóneas para que se produzca una reacción

química.

Producir y mantener niveles de presión adecuados por razones de

proceso de torres.

Alimentar aire a presión para mantener algún elemento en circulación.

3. Clasificación.

Por su aplicación principal se podrían dividir en cinco grupos:

Compresores: Diseñados para comprimir gases a cualquier presión, por

encima de la presión atmosférica. En general, se habla de compresor

cuando se trabaja con presiones superiores a los 3 bar.

Ventiladores: Máquinas diseñadas para comprimir gases a presiones

muy bajas, cercanas a la presión atmosférica. De hecho, los ventiladores

apenas incrementan la presión unos gramos sobre la atmosférica.

Soplantes: Compresores que trabajan a baja presión. Deberían estar

incluidos dentro del mismo grupo que los compresores, pero se

diferencian para evitar confusiones. Las presiones de estos equipos son

superiores a las de los ventiladores, pero se considera que están por

debajo de los 3 bar.

Bombas de vacío: Son también compresores, pero su trabajo no está

pensado para comprimir el aire, sino para aspirarlo de un recipiente o

sistema, bajando la presión a valores por debajo de 1 atmósfera. Las

bombas de vacío también se pueden usar como un compresor, pero en

aplicaciones muy específicas y con valores de presión muy bajos.

Compresores booster: Son un tipo de compresores que trabajan con

una presión en la aspiración, superior a la atmosférica. Suelen instalarse

en combinación con un compresor tradicional, para elevar la presión final

de éste.

Sin embargo, la principal clasificación de los diferentes tipos de

compresores se realiza por su principio de funcionamiento básico. En este

caso, los compresores quedan divididos en:

Alternativos (de simple o de doble efecto y de una o dos etapas).

Centrífugos (de varias etapas).

Rotativo (de tornillo).

3.1. Alternativos o de desplazamiento positivo.

Los compresores alternativos son máquinas de desplazamiento positivo en las

cuales sucesivas cantidades de gas quedan atrapadas dentro de un espacio

cerrado y, mediante un pistón, se eleva su presión hasta que se llega a un valor

de la misma que consigue abrir las válvulas de descarga. El elemento básico

de compresión de los compresores alternativos consiste en un solo cilindro en

el que una sola cara del pistón es la que actúa sobre el gas (simple efecto).

Existen unidades en las que la compresión se lleva a cabo con las dos caras

del pistón (doble acción), actuando de la misma forma que si tuviéramos dos

elementos básicos de simple efecto trabajando en paralelo dentro de una

misma carcasa.

El ciclo de trabajo del compresor se divide en cuatro etapas que son:

Comienzo de la compresión: El cilindro se encuentra lleno de gas.

Etapa de compresión: El pistón actúa sobre la masa de gas reduciendo su

volumen original con un aumento paralelo de la presión del mismo. Las

válvulas del cilindro permanecen cerradas.

Etapa de expulsión: Justo antes de completar la carrera de compresión la

válvula de descarga se abre (2). El gas comprimido sale del cilindro, debido

a su propia presión, a través de la válvula de descarga. Antes de alcanzar el

final de carrera (3) la válvula de descarga se cierra dejando el espacio libre

del cilindro lleno de gas a la presión de descarga.

Etapa de expansión: Durante esta etapa tanto la válvula de descarga

como la de entrada permanecen cerradas. El pistón comienza la carrera de

retroceso pasando de (3) a (4), el gas contenido dentro del cilindro sufre un

aumento de volumen con lao que la presión interior del sistema se reduce.

Antes de llegar al punto (4) la válvula de admisión al cilindro se abre.

Etapa de admisión: El pistón durante esta etapa retrocede provocando una

depresión en la interior del cilindro que es compensada por la entrada de

gas fresco a través de la línea de admisión. Justo antes de llegar al punto

inferior de la carrera la válvula de admisión se cerrará, volviendo al estado

A) con lo que comienza un nuevo ciclo.

Este tipo de compresores usa válvulas de tipo automático accionadas por

resortes, que abren solamente cuando existe la suficiente presión diferencial

sobre la misma. Las válvulas de admisión abren cuando la presión dentro del

cilindro es ligeramente inferior a la presión de entrada del gas. Las válvulas de

escape abren cuando la presión en el cilindro es ligeramente superior a la

presión en la línea de descarga. En ciertas aplicaciones se hacen necesario el

empleo de altas relaciones de compresión (relación entre la presión absoluta

de admisión del gas y la presión absoluta del gas en la descarga) haciendo

complicado el verificar la compresión en una sola etapa debido a la alta

temperatura alcanzada por el gas en la descarga.

Así se hace necesario recurrir a combinar en serie varios elementos básicos de

compresión configurando así una unidad multietapa, en la que la compresión

del gas se verificará en dos o más pasos. El gas normalmente se refrigera

entre etapas con objeto de reducir su temperatura y volumen antes de entrar en

la siguiente etapa. Cabe hacer notar que cada etapa está constituida por un

compresor en sí mismo. Este se dimensiona para operar en serie con uno o

más elementos compresores básicos y aunque todos ellos pueden estar

alimentados de una misma fuente de energía, siguen siendo compresores

separados.

3.1.1 Características:

El compresor alternativo es uno de los tipos que mayor rendimiento

alcance en la mayoría de las aplicaciones. Adicionalmente se le puede

dotar de un sistema de control de carga con objeto de mantener su

rendimiento a carga parcial.

La práctica totalidad de los gases comerciales pueden tratarse con este

tipo de compresor, al no presentar problemas con gases corrosivos.

Los cilindros de compresión son generalmente del tipo lubricado, aunque

si la necesidades del proceso lo requieren se puede ir a un tipo no

lubricado.

En compresores donde la relación de compresión es muy elevada, la

compresión se realiza en varios pasos. De esta forma se pretende

reducir el perfil de temperatura del sistema, consiguiendo un mejor

control del mismo.

Con el objeto de compensar las fuerzas de inercia de los pistones y

otros elementos móviles que provocan vibraciones en el equipo, se

instalan sistemas de equilibrado del equipo, tales como volantes de

inercia, cigüeñales contrarrotantes, etc.

Los compresores alternativos deben ser alimentados con gas limpio,

recomendándose el uso de filtros en la alimentación. No permiten

trabajar con gases que puedan arrastrar gotas de líquido con ellos,

aunque sí con vaporizado siempre que no exista el riesgo de

condensación dentro del cilindro. La presencia de líquido dentro del

cilindro es peligrosa para el equipo, ya que al ser incompresible el

cigüeñal de la máquina puede resultar dañado al intentar hacerlo.

Adicionalmente la lubricación de las paredes del cilindro puede ser

destruida por el líquido que pudiera entrar en él. Para solucionar el

problema en la alimentación al compresor se instalan depósitos K.O:

Drum o separadores de gotas, en los que se retira el posible contenido

líquido que pudiera arrastrar el gas de alimentación.

Los compresores alternativos suministran un flujo pulsante de gas. En

algunas aplicaciones esto es contraproducente por lo que se dispone de

Este problema se soluciona disponiendo a la salida del compresor un

depósito antipulsante, en el que se atenúan las variaciones de presión

en el flujo.

3.1.2 Elementos Principales:

En un compresor alternativo existe gran cantidad de elementos, de los que sólo

se presentarán los más generales.

Los cilindros: Dependiendo del tipo de compresor, éstos pueden ser de

simple o doble efecto, según se comprima el gas por una o las dos caras

del pistón. Pueden existir, además, uno o varios cilindros por cada una

de las etapas que tenga el compresor. La hermeticidad durante la

compresión se mantiene gracias a la acción de los segmentos del pistón.

Estos elementos consistirán en unos finos aros metálicos abiertos

ubicados en la pared del cilindro, dentro de unas pequeñas hendiduras

dispuestas para tal fin. El segmento por su diseño se encontrará

haciendo presión en todo momento contra la pared cilindro minimizando

así las pérdidas perimetrales proporcionando la hermeticidad requerida

en el equipo.

Las válvulas: Las válvulas son mecanismos automáticos colocados en

la aspiración e impulsión de cada uno de los cilindros que permiten el

flujo del gas en una sola dirección, bien sea hacia dentro del cilindro

(aspiración), bien hacia fuera del mismo (impulsión). Estos mecanismos

actúan por diferencia de presión, aunque en ciertas. condiciones pueden

ser ayudadas por resortes.

Sistemas de lubricación: Los compresores alternativos poseen dos

circuitos diferentes de lubricación:

— Del cárter: Lubricación de la zona donde se ubica el cigüeñal

del compresor. Este elemento se encargará de transformar el

movimiento rotativo del motor que mueve el compresor en el

movimiento lineal de los pistones.

— De cilindros y estopadas, mediante sistema de goteo.

Sistema de filtros: Resulta de vital importancia para el correcto

funcionamiento de los compresores que los filtros estén dentro de las

condiciones de trabajo de los mismos. Por ello es necesario vigilar que

las pérdidas de carga en los filtros estén dentro de las establecidas,

pues de lo contrario implica que el filtro está sucio con la consiguiente

pérdida de eficiencia del mismo y del propio compresor disminuyendo su

aspiración.

3.1.3. Tipos.

De pistón: En este tipo de compresores, el aire es aspirado al interior de un

cilindro, por la acción de un pistón accionado por una biela y un cigüeñal.

Ese mismo pistón, al realizar el movimiento contrario, comprime el aire en el

interior del mencionado cilindro, liberándolo a la red o a la siguiente etapa,

una vez alcanzada la presión requerida. Los compresores de pistón pueden

ser lubricados o exentos de aceite. En el caso de los compresores exentos,

la cámara de aspiración y compresión queda aislada de cualquier contacto

con el lubricante del compresor, trabajando en seco y evitando que el aire

comprimido se contamine con los lubricantes del equipo.

Figura 1. Compresor de Pistón

Paletas: Otro diseño dentro de los compresores de desplazamiento

positivo, es el de los equipos que usan un rotor de paletas. El sistema

consiste en la instalación de un rotor de paletas flotantes en el interior de

una carcasa, situándolo de forma excéntrica a la misma, durante el giro del

rotor, las paletas flotantes salen y entran desde su interior, formando unas

cámaras entre rotor y carcasa, que se llenan con el aire. Al estar situado el

rotor en una posición excéntrica al eje central de la carcasa, las cámaras

van creciendo en la zona de aspiración, llegando a producir una depresión

que provoca la entrada del aire. Según se desplazan con el giro del rotor,

las cámaras se van reduciendo hacia la zona de impulsión, comprimiendo el

aire en el interior.

Lóbulos o émbolos rotativos: El principio de funcionamiento está basado

en el giro de dos rotores de lóbulos en el interior de la carcasa. Como se

puede ver en la ilustración superior, los rotores giran de forma sincronizada

y en sentido contrario, formando entre ellos unas cámaras en las que entra

el aire. En este caso, los lóbulos se limitan a desplazar el aire, consiguiendo

aumentar la presión en función de la contrapresión con la que se

encuentran en la salida del equipo. Esta contrapresión viene dada por las

pérdidas por rozamiento y las necesidades de presión del sistema con el

que trabaja. Estos compresores son muy usados como soplantes, es decir,

compresores de baja presión.

En este tipo de compresores, los rotores pueden ser bilobulares o trilobulares.

También existe una ejecución similar que utiliza unos rotores de uña. El

funcionamiento es el mismo que el explicado anteriormente, pero en este caso,

por la forma especial de los rotores, la cámara de impulsión reduce su espacio

para incrementar la presión del aire. Estos compresores consiguen elevar la

presión a valores superiores a 7 barg.

Compresores scroll: Otra tecnología dentro del grupo de desplazamiento

positivo, es la de los compresores tipo scroll. No son equipos muy

conocidos, pero tienen una aplicación típica en las aplicaciones exentas de

aceite. Estos compresores tienen un desplazamiento que se denomina

orbital. La compresión se realiza por reducción de volumen. El conjunto

compresor está formado por dos rotores con forma espiral. Uno de ellos es

fijo en la carcasa y el otro es móvil, accionado por el motor. Están montados

con un desfase de 180º, lo que permite que en su movimiento se creen

cámaras de aire cada vez más pequeñas.

Bombas de vacío: Las bombas de vacío son también equipos de

desplazamiento positivo. Muchos de sus diseños son usados

indistintamente como compresores o como bombas de vacío. Existen

bombas de vacío de pistón, tornillo, paletas o lóbulos. El funcionamiento de

todas ellas es similar al de su compresor homólogo, pero con la

característica de que están pensadas para aspirar del interior de un

recipiente o red y no para comprimir el aire o gas que aspiran. Como caso

más excepcional, destacamos el diseño de las bombas de vacío de anillo

líquido en estos equipos hay un rotor de paletas fijas, instalado de forma

excéntrica en la carcasa de la bomba. En el interior de la carcasa, hay un

fluido que generalmente es agua. Cuando el rotor gira a su velocidad

nominal, la fuerza centrífuga que ejerce sobre el fluido, hace que éste se

pegue a las paredes internas de la carcasa, formando con las paletas del

rotor unas cámaras de aspiración y compresión, cuyo funcionamiento es

similar al del compresor de paletas.

En la foto inferior, se muestra una bomba de vacío de anillo líquido de

FLOWSERVE SIHI.

3.2 Centrífugos o Dinámicos:

Compresores centrífugos radiales: A este grupo pertenecen los

compresores centrífugos tradicionales. En estos equipos, el aire entra

directamente en la zona central del rotor, guiado por la campana de

aspiración. El rotor, girando a gran velocidad, lanza el aire sobre un difusor

situado a su espalda y es guiado al cuerpo de impulsión. En la imagen, se

ve la sección de un compresor centrífugo de levitación neumática de BOGE.

En dicha sección, se aprecian con claridad las dos etapas de compresión

donde se encuentran alojados los rotores. En estos compresores, el aire

entra directamente por la campana de aspiración (1) hacia el rotor (2) y

difusor (3), saliendo a la siguiente etapa o a la red por la voluta (4).

Otro ejemplo se puede ver en la sección de una soplante centrífuga de

SULZER, donde se aprecia con detalle el rotor centrífugo instalado en el

extremo del eje.

Un turbocompresor tradicional puede ser un equipo con dos o más etapas de

compresión. Entre cada etapa, están instalados unos refrigeradores diseñados

para reducir la temperatura de compresión antes de que el aire llegue al

siguiente rotor. En la foto inferior, podemos ver un turbocompresor de

INGERSOLL RAND, montado sobre una bancada común al motor,

refrigeradores y cuadro de control.

Los turbocompresores suelen ser equipos pensados para grandes caudales,

aunque en los últimos años, los fabricantes se han esforzado para diseñar

equipos de tamaños reducidos y caudales más pequeños. Con estas premisas,

ha aparecido una nueva generación de compresores centrífugos de levitación

magnética o de levitación neumática.

Compresores centrífugos axiales: Estos equipos son menos comunes

en la industria. Se diferencian de los anteriores en que el aire circula en

paralelo al eje. Los compresores axiales están formados por varios

discos llamados rotores. Entre cada rotor, se instala otro disco

denominado estator, donde el aire acelerado por el rotor, incrementa su

presión antes de entrar en el disco siguiente. En la aspiración de

algunos compresores, se instalan unos álabes guía, que permiten

orientar la corriente de aire para que entre con el ángulo adecuado. En

la imagen se puede ver un compresor axial de MAN, que trabaja en

combinación con una etapa radial, donde se incrementa la presión a

valores superiores. En general, todos los compresores descritos en los

diferentes grupos, se pueden adaptar a múltiples aplicaciones o

normativas, como API o ATEX. Los fabricantes añaden elementos

adicionales para que cada equipo pueda trabajar en diferentes

aplicaciones o estar equipados con los accesorios que el usuario final

pueda requerir.

3.3. Tornillo.

La tecnología de los compresores de tornillo se basa 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. Como se

puede ver en el esquema, 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. En el esquema inferior, se ve la sección de un conjunto rotórico,

donde se pueden apreciar los tornillos en el interior de la carcasa.

Este tipo de tecnología se fabrica en dos ejecuciones diferentes, compresores

de tornillo lubricado y compresores de tornillo 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. Este tipo de compresor es el más habitual en la industria,

debido a que en la mayoría de las aplicaciones, el residual de aceite que queda

en la línea de aire comprimido no es un obstáculo para el proceso. En la foto

inferior se puede ver un compresor de tornillo lubricado de KAESER.

La ejecución de compresores exentos de aceite requiere de un diseño más

complejo que en el caso anterior, debido a que no se puede inyectar aceite en

el interior de los rotores. En este tipo de compresores, se busca suministrar aire

sin contaminar por el aceite de lubricación. Esto no quiere decir que no

requieran de lubricación, sino que entre los rotores no se inyecta lubricante

alguno, haciendo que estos elementos trabajen en seco. Para el proceso de

compresión a presiones superiores a 3 bar, se requiere de la instalación de dos

unidades compresoras que trabajen en serie, accionadas por una caja de

engranajes común. Como se puede ver en la foto inferior, correspondiente a un

compresor de tornillo exento de BOGE, ambos conjuntos rotóricos están

conectados a un único motor por la citada caja de engranajes.

Esquema generalizado de Compresores.