COMPRESORES DE AIRE A PISTÓN

Los compresores son máquinas que aspiran el aire ambiente (a presión atmosférica) y lo comprimen hasta conferirle una presión superior.

Existen diversos tipos de compresores, así como toda una teoría de cálculo que no se expondrá aquí, ya que el objetivo de estas páginas es el tratamiento del aire a la salida del compresor. Sin embargo, se describen de forma general los diferentes tipos de compresores, resaltando aquellos aspectos que conviene tener en cuenta para su utilización posterior.

COMPRESORES MONOFÁSICOS

Los compresores monofásicos (Fig. 6-4) disponen de una sola etapa de compresión. Se componen esencialmente de un cárter con cigüeñal, un pistón y un cilindro. Para su refrigeración, el cilindro posee aletas exteriores. Se utilizan en aplicaciones donde el caudal es limitado y el servicio es intermitente.

COMPRESORES BIFÁSICOS

Los compresores bifásicos (de dos etapas) se caracterizan porque el aire es comprimido en dos fases. En la primera fase (baja presión) se comprime hasta 2 a 3 kg/cm², y en la segunda fase (alta presión) se alcanza una presión máxima de aproximadamente 8 kg/cm².

Pueden refrigerarse por aire o por agua; es decir, el refrigerador intermedio (entre etapas) puede funcionar mediante un ventilador o mediante una corriente de agua que circula a través de él.

Normalmente, para potencias de hasta 100 CV, se emplea refrigeración por aire, sin perjuicio de que también puedan equiparse con refrigeración por agua. Para potencias superiores predomina la refrigeración por agua, aunque en algunos casos se utiliza refrigeración por aire. La potencia del electroventilador del refrigerador intermedio depende de la potencia del compresor, del tipo de máquina y de las condiciones de trabajo.

Los pistones y los cilindros pueden disponerse en configuración en V (Fig. 6-5 y 6-6) o en L (Fig. 6-7), siendo esta última disposición la más habitual cuando uno de los cilindros es vertical.

Estos modelos de compresores son los más usuales en la industria, cubriendo una amplia gama de caudales: aproximadamente desde 1.000 Nl/min hasta 10.000 Nl/min para los modelos en V, y desde unos 10.000 Nl/min hasta 30.000 Nl/min o más para los modelos en L. La presión máxima de trabajo suele ser de 8 kg/cm², aunque actualmente se tiende a incrementarla.

En este tipo de compresores, la temperatura de salida del aire comprimido es del orden de 130 °C, con una variación aproximada de ±15 °C.

Los compresores bifásicos (de dos etapas) pueden ser de simple efecto o de doble efecto.

COMPRESORES DE DOS ETAPAS DE SIMPLE EFECTO

En este tipo de compresores, el recorrido del aire durante la compresión se realiza en dos etapas mediante dos pistones: uno efectúa la compresión de la primera etapa y el otro la de la segunda.

El compresor (Fig. 6-8) aspira el aire exterior a través del filtro de admisión F. Para que el aire pase a la cámara de compresión, deben abrirse las válvulas de aspiración VA-1. Esto ocurre automáticamente porque, al descender el pistón, se genera vacío en la cámara C-1 y, debido a la presión atmosférica, la válvula se abre dejando pasar el aire. Al llegar al punto muerto inferior (PMI) e iniciar el ascenso, aumenta la presión en C-1, obligando a cerrar VA-1 antes de que el aire pueda salir.

Al continuar el ascenso, el aire aspirado se comprime hasta que su presión vence la fuerza de las válvulas de escape VE-1. Entonces se abren y el aire comprimido pasa al refrigerador intermedio R, enfriado mediante un ventilador.

En esta etapa podría alcanzarse la presión deseada, pero en la práctica (y también teóricamente) resulta antieconómico obtener presiones altas y caudales igualmente altos en una sola etapa, porque se requiere más potencia y el aire sale más caliente que cuando se comprime en varias etapas. Para presiones de 4 a 12 kg/cm² suelen emplearse compresores de dos etapas.

Para evitar estos inconvenientes, el compresor comprime el aire en dos etapas y, antes de la segunda, se enfría el aire prácticamente a temperatura ambiente. Con ello se obtiene mayor rendimiento y aire más frío a la presión final de salida. El ciclo de aspiración, compresión y escape es similar al de la etapa de baja presión, pero las cámaras C-2 son más pequeñas, ya que el aire entra parcialmente comprimido. Por la misma razón, las válvulas VA-2 y VE-2 pueden ser de menor tamaño.

El movimiento de los pistones se obtiene mediante el mecanismo clásico de biela-manivela; los rozamientos se reducen transformando deslizamientos en rodaduras mediante cojinetes de agujas.

COMPRESORES DE DOS ETAPAS DE DOBLE EFECTO

Para evitar los inconvenientes de los compresores de una etapa, en este tipo de compresores la compresión del aire se realiza en dos etapas mediante un solo pistón (diferencial). Dado que el compresor va provisto de dos pistones, el caudal de aire suministrado es aproximadamente el doble del que proporcionaría un compresor de dos pistones de simple efecto.

La Fig. 6-9 muestra el ciclo: el compresor aspira aire exterior por filtros F. Para que el aire pase a las cámaras de compresión, deben abrirse las válvulas de aspiración VA-1, lo cual ocurre automáticamente por el vacío creado al descender el pistón en C-1. Al llegar al punto muerto inferior (PMI) y comenzar el ascenso, aumenta la presión en C-1 y VA-1 se cierra.

Al continuar el ascenso, el aire se comprime hasta vencer la fuerza de las válvulas de escape VE-1; entonces se abren y el aire pasa al refrigerador R, enfriado mediante un ventilador.

El compresor comprime en dos etapas y, antes de la segunda, enfría el aire casi hasta la temperatura ambiente, logrando mayor rendimiento y aire más frío a la presión final. En la primera etapa se comprime a pocos kg/cm², luego se enfría y, finalmente, se realiza la segunda etapa (alta presión). En esta etapa, las cámaras C-2 son más pequeñas y las válvulas pueden ser de menor tamaño por requerir menor superficie de paso.

DISPOSICIÓN DE LOS CILINDROS

En los compresores a pistón, los fabricantes utilizan diversas disposiciones de montaje, siendo las más frecuentes: 1) vertical, 2) horizontal, 3) en L o en ángulo (90°) y 4) dos cilindros opuestos. También se emplea la disposición en V, muy común en compresores pequeños.

Los compresores verticales suelen utilizarse sólo en potencias pequeñas, ya que los efectos de “machaqueo” de esta disposición conducen a fundaciones pesadas y voluminosas. En cambio, las disposiciones horizontal o en ángulo presentan mejores condiciones de equilibrio, reduciendo notablemente el volumen de las fundaciones.

En compresores pequeños, la disposición en V es la más utilizada. Para compresores grandes de doble efecto, se recurre a la forma en L o en ángulo, con el cilindro de baja presión vertical y el de alta presión horizontal.

TABLA DE CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS COMPRESORES A PISTÓN

En las tablas siguientes se resumen, a título informativo, las características y datos necesarios para la elección del tipo adecuado de compresor a pistón, entre los diversos modelos mencionados.

Todos ellos están pensados para trabajar a una presión comprendida entre 6 y 7 kg/cm². La presión máxima de 8 kg/cm², adoptada como base general, indica la presión límite a la que pueden trabajar; no es recomendable operar un compresor de forma continua a su presión máxima (ver pág. 14).

COMPRESORES ROTATIVOS

Se denominan compresores rotativos a los grupos que producen aire comprimido mediante un sistema rotatorio y continuo; es decir, empujan el aire desde la aspiración hacia la salida, comprimiéndolo.

Se distinguen los siguientes tipos:

COMPRESORES DE TORNILLO

El primer estudio del compresor rotativo de tornillo fue realizado en 1934 por el profesor Alf Lysholm. El principio de funcionamiento se esquematiza en la Fig. 6-15.

El compresor de tornillo consta de un par de rotores con lóbulos helicoidales de engrane constante. Los rotores van montados en un cárter de hierro fundido con admisión de aire en un extremo y salida en el otro. El tornillo macho suele tener cuatro lóbulos y el hembra seis. A medida que giran, los espacios entre lóbulos se abren al orificio de admisión, aumenta el volumen y desciende la presión, por lo que el aire comienza a llenar esos espacios (A). Al mismo tiempo se inyecta aceite a presión; no hay bomba de aceite.

Cuando los espacios interlobulares se llenan, la rotación cierra la admisión y comienza la compresión (B). El volumen entre rotores disminuye aún más (E). Al alcanzarse la presión final, el espacio se conecta con la salida (D). La mezcla aire/aceite pasa por un separador que elimina partículas de aceite y luego el aire limpio fluye por la tubería neumática.

Como estos compresores pueden girar a mayor velocidad que otros, resultan apropiados para instalaciones que requieren gran capacidad de aire comprimido.

Compresor a tornillo en proceso de construcción

COMPRESORES DE PALETAS

Los compresores rotativos de paletas (Fig. 6-16) pueden ser de una o de dos etapas. Los de una etapa alcanzan presiones efectivas de 0,5 a 4 kg/cm², y los de dos etapas, de 3 a 8 kg/cm². El volumen de aire oscila entre 100 y 2.500 Nm³/h.

Su funcionamiento se ilustra en la Fig. 6-16. El rotor R es excéntrico respecto a la carcasa. Debido a esa excentricidad, en cada revolución las aletas se deslizan hacia fuera y hacia dentro de las ranuras del rotor.

El volumen creado entre dos aletas disminuye durante la rotación hacia la cámara de presión, desde donde se suministra el aire comprimido.

El compresor de paletas es una máquina equilibrada, apropiada para conexión directa a un motor de velocidad relativamente alta. Sin embargo, su bajo rendimiento le impide competir con los compresores de pistón en la mayoría de los casos. Es adecuado para trabajos de baja presión. Además, con el uso su rendimiento disminuye y el consumo de lubricante es elevado.

COMPRESORES TIPO ROOTS

Los compresores Roots (Fig. 6-17), también conocidos como soplantes, tienen un amplio campo de aplicación en bajas presiones.

Estos compresores tienen dos rotores de igual forma, por lo cual no realizan compresión interna: el volumen de las cámaras de trabajo no disminuye durante la rotación. El retorno de presión que ocurre al abrir hacia la cámara de presión requiere mayor consumo de potencia que en el caso de compresión interna; por ello no deben alcanzarse compresiones muy superiores a 0,8 kg/cm². Además, se producen pérdidas elevadas a través de los intersticios, debido a que las líneas de cierre entre rotor y carcasa son relativamente cortas.

Con compresores de este tipo pueden alcanzarse elevaciones de presión de hasta 2 kg/cm². Son especialmente adecuados para montaje en camiones silo, para impulsión neumática de materiales a granel, por su funcionamiento suave y dimensiones constructivas favorables.

NUEVOS DESARROLLOS EN LOS COMPRESORES ROTATIVOS

a) De paletas

El empleo industrial de los compresores de paletas quedaba limitado, por sus propias características, a ciertos casos particulares. Se consideran compresores de una etapa para presiones de hasta 5 kg/cm², y su bajo rendimiento les impedía competir con los compresores de pistón en la mayoría de los casos; por ello se recomendaban sólo para trabajos donde se necesitaba baja presión.

Sin embargo, hacia los años setenta, debido al avance tecnológico, comenzaron a comercializarse compresores de paletas que alcanzaban presiones máximas de 8 kg/cm² y volúmenes de aire entre 90 y 515 Nm³/h, con potencias nominales del motor entre 15 y 75 CV. Presentan una ventaja importante: frente al alto nivel de ruido de los compresores de pistón, incorporan insonorización del grupo, reduciendo sensiblemente el nivel sonoro de la central de aire.

Además, el diseño tradicional del compresor de pistón fue quedando relegado y se impuso un modelo industrial de aspecto más moderno, con una carcasa metálica que agrupa todos los elementos, desde el depósito de aire hasta el cuadro de maniobras de arranque directo.

La notable disminución de la temperatura máxima del aire en la descarga, para una temperatura ambiente de 20 °C, situándose alrededor de 100 °C, permite utilizar el aire comprimido tal como sale del compresor sin necesidad de un refrigerador posterior. En caso de requerirse aire más frío, puede añadirse un refrigerador posterior por agua o por aire, de menor tamaño que el usado en compresores de pistón, debido a que el salto térmico es menor.

Como la descarga se realiza sin pulsaciones, puede eliminarse la necesidad de un depósito de aire. La regulación asegura presión constante en descarga para un caudal variable entre 0 y 100%. Si la regulación se fija en 7 kg/cm², la presión varía aproximadamente entre 7 kg/cm² a plena carga y 7,35 kg/cm² a caudal nulo.

Funcionamiento

El aire exterior ingresa al rotor monobloque del compresor a través de paneles filtrantes ubicados en el chasis metálico. Un ventilador, montado sobre el acoplamiento flexible motor-compresor, impulsa el aire hacia el filtro de aspiración y, al mismo tiempo, asegura la refrigeración del aceite en el radiador y aporta enfriamiento adicional al motor, ya que el compresor rotativo de paletas se refrigera por aceite.

La tubuladura de aspiración se ubica a la derecha del cilindro y la de descarga a la izquierda.

El rotor gira alrededor de un eje excéntrico. En aspiración, las paletas se aplican contra las paredes del cilindro por efecto de la fuerza centrífuga y se deslizan en sus ranuras hasta el punto de mínima excentricidad. El aire queda aprisionado entre dos paletas consecutivas y se comprime cuando la rotación continúa y el volumen disminuye. En la zona donde comienza la compresión se inyecta aceite a través de orificios calibrados y alojamientos de rodamientos. Este aceite, filtrado y refrigerado, absorbe el calor generado por la compresión (ver Fig. 6-18).

b) De tornillo

Desde la construcción del primer prototipo de compresor rotativo de tornillo hasta la actualidad, este tipo de compresor ha sufrido una importante evolución industrial. Un rasgo característico de los primeros compresores a tornillo era que funcionaban con cámaras de compresión libres de aceite.

A fines de la década de 1950 se produjo una innovación: el compresor a tornillo con inyección de aceite en las cámaras de compresión. Este diseño se pensó inicialmente para unidades portátiles y luego se empleó en versiones estacionarias.

Sin embargo, existían factores que limitaban su campo de aplicación: rotura de rotores por dificultades de marcha, fallas en rodamientos, influencia del perfil de rotores en la eficiencia, y un nivel de ruido alto y de elevada frecuencia. Por estas razones, su utilización quedaba relegada a instalaciones que requerían gran capacidad de aire comprimido.

La búsqueda de mejoras dio origen al diseño de una nueva generación de compresores a tornillo, con la intención de eliminar estas desventajas. Entre las mejoras obtenidas destacan:

a) Adopción de un nuevo perfil de rotor para mejorar la seguridad mecánica y la eficacia, especialmente en unidades de menor capacidad.

b) Sellado (estanquidad) de grafito sobre fundición.

c) Sistema especial de refrigeración para asegurar expansión uniforme entre carcasa y rotores en distintas condiciones de operación.

La Fig. 6-19 muestra el nuevo aspecto de los compresores rotativos de tornillo dentro de un chasis metálico que integra todos los componentes necesarios para su funcionamiento.

Fig. 6-19

Conceptos destacados :