Un compresor alternativo es una máquina de desplazamiento positivo que utiliza un pistón para comprimir un gas y suministrarlo a alta presión.
A menudo son algunos de los sistemas más críticos y costosos de una instalación de producción, y merecen especial atención. Las tuberías de transmisión de gas, las plantas petroquímicas, las refinerías y muchas otras industrias dependen de este tipo de equipos.
Debido a muchos factores, incluidos, entre otros, la calidad de la especificación/diseño inicial, la adecuación de las prácticas de mantenimiento y los factores operativos, las instalaciones industriales pueden esperar que los costes del ciclo de vida y la fiabilidad de sus propias instalaciones varíen ampliamente.
En casi todas las instalaciones industriales se encuentran diversos compresores. Los tipos de gases comprimidos incluyen los siguientes:
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Aire para sistemas de aire comprimido para herramientas e instrumentos
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Hidrógeno, oxígeno, etc. para el procesamiento químico
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Fracciones ligeras de hidrocarburos en el refinado
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Gases diversos para el almacenamiento o la transmisión
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Otras aplicaciones
Hay dos clasificaciones principales de compresores industriales: flujo intermitente (desplazamiento positivo), que incluye los tipos alternativos y rotativos; y flujo continuo, que incluye los tipos de flujo centrífugo y axial.
Los compresores reciprocantes se utilizan típicamente cuando se requieren altas relaciones de compresión (relación entre las presiones de descarga y succión) por etapa sin altas tasas de flujo, y el fluido del proceso es relativamente seco.
Los compresores de gas húmedo tienden a ser de tipo centrífugo. Las aplicaciones de alto caudal y baja relación de compresión se sirven mejor de los compresores de flujo axial. Los tipos rotativos se especifican principalmente en aplicaciones de aire comprimido, aunque también se encuentran otros tipos de compresores en el servicio de aire.
Diseño Básico
Los componentes primarios de un sistema típico de compresor reciprocante pueden verse en las Figuras 1 y 2. Cabe señalar que el autor nunca ha visto una instalación de compresor «típica», y reconoce la existencia de muchas excepciones.
Los cilindros de compresión (Figura 1), también conocidos como etapas, de los cuales un diseño particular puede tener de uno a seis o más, proporcionan confinamiento para el gas de proceso durante la compresión.
Un pistón es impulsado en una acción recíproca para comprimir el gas. Las disposiciones pueden ser de diseño de acción simple o doble. (En el diseño de doble efecto, la compresión se produce en ambos lados del pistón durante la carrera de avance y de retroceso.)
Algunos cilindros de doble efecto en aplicaciones de alta presión tendrán un vástago en ambos lados del pistón para proporcionar una superficie igual y equilibrar las cargas. Las disposiciones de los cilindros en tándem ayudan a minimizar las cargas dinámicas al situar los cilindros en pares, conectados a un cigüeñal común, de modo que los movimientos de los pistones se oponen entre sí.
La presión del gas se sella y el desgaste de los componentes costosos se minimiza mediante el uso de anillos de pistón desechables y bandas de jinete, respectivamente. Éstos se forman a partir de metales comparativamente blandos en relación con la metalurgia del pistón y del cilindro/revestimiento o de materiales como el politetrafluoroetileno (PTFE).
Figura 2 A. Bastidor de HSE de dos tiros y engranaje de rodadura
Figura 2 B. Bastidor de HSE de dos tiros y engranaje de rodadura
La mayoría de los diseños de equipos incorporan sistemas de lubricación forzada de tipo bloque; sin embargo, cuando no hay tolerancia de proceso para el arrastre de aceite, se emplean diseños no lubricados.
Los cilindros para aplicaciones más grandes (el corte típico es de 300 CV) están equipados con pasajes de refrigerante para sistemas de termosifón o de líquido refrigerante circulante, mientras que algunos compresores domésticos y de taller más pequeños suelen estar refrigerados por aire. Los cilindros de grandes aplicaciones suelen estar equipados con camisas reemplazables que se introducen a presión en el orificio, y pueden incluir un pasador antirrotación.
El gas de proceso se introduce en el cilindro, se aprieta, se contiene y luego se libera mediante válvulas mecánicas que suelen funcionar automáticamente por presiones diferenciales. Dependiendo del diseño del sistema, los cilindros pueden tener una o varias válvulas de succión y descarga.
Los descargadores y las bolsas de holgura son válvulas especiales que controlan el porcentaje de carga completa que lleva el compresor a una velocidad de giro determinada de su impulsor. Los descargadores manipulan la acción de las válvulas de aspiración para permitir el reciclaje del gas.
Las válvulas de bolsillo de holgura alteran el espacio de la cabeza del cilindro (volumen de holgura). Pueden ser de volumen fijo o variable. Estos dispositivos están fuera del alcance de este artículo.
La pieza intermedia (a veces llamada caseta de perro) es un miembro estructural que conecta el bastidor del compresor con el cilindro. Debe evitarse la mezcla de fluidos entre el cilindro y la pieza intermedia. Los anillos de empaquetadura contienen la presión del gas dentro del cilindro y evitan que el aceite entre en el cilindro limpiando el aceite del vástago del pistón a lo largo de su recorrido.
La pieza intermedia se ventila normalmente en función del material más peligroso del sistema, que suele ser el gas comprimido en el cilindro. Los anillos de empaquetadura están diseñados para contener el gas dentro del cilindro, pero con la alta presión es posible que parte del gas comprimido se filtre más allá de los anillos de empaquetadura.
El tren de rodaje, alojado dentro del bastidor del compresor (Figura 2), consiste en la cruceta y la biela que conectan el vástago del pistón con el cigüeñal, convirtiendo su movimiento rotatorio en un movimiento lineal recíproco.
El cigüeñal está equipado con contrapesos para equilibrar las fuerzas dinámicas creadas por el movimiento de los pesados pistones. Está soportado dentro del marco del compresor por cojinetes de deslizamiento en varios muñones. También se dispone de un volante de inercia para almacenar la inercia de la rotación y proporcionar una ventaja mecánica para la rotación manual del conjunto.
Algunos compresores lubricarán su engranaje de funcionamiento del bastidor con una bomba de aceite integral accionada por el eje, mientras que otros están provistos de sistemas de lubricación más amplios, montados sobre patines. Todos los sistemas adecuadamente diseñados proporcionarán no sólo la circulación de aceite a las tribo-superficies críticas del equipo, sino también el control de la temperatura del lubricante, la filtración y alguna medida de instrumentación y redundancia.
Los gases de aspiración suelen pasar por coladores y separadores de aspiración para eliminar las partículas arrastradas, la humedad y el fluido de proceso en fase líquida que podrían causar graves daños a las válvulas del compresor y otros componentes críticos, e incluso poner en peligro la integridad del cilindro con consecuencias desastrosas.
El gas también puede precalentarse para llevar el gas de proceso líquido a la fase de vapor. Los intercoolers ofrecen la oportunidad de eliminar el calor del gas de proceso entre las etapas de compresión. (Véase la siguiente sección: El ciclo termodinámico.) Estos intercambiadores de calor pueden formar parte del sistema de refrigeración del aceite y/o del cilindro del compresor, o pueden estar conectados al sistema de agua de refrigeración de la planta.
En el lado de descarga, los recipientes de presión sirven como amortiguadores de pulsaciones, proporcionando la capacidad del sistema para igualar las pulsaciones de flujo y presión correspondientes a las carreras de compresión del pistón.
Típicamente, los compresores alternativos son dispositivos de velocidad relativamente baja, y son impulsados directamente o por correa por un motor eléctrico, ya sea con o sin un controlador de accionamiento de velocidad variable.
A menudo el motor se fabrica para ser integral al compresor, y el eje del motor y el cigüeñal del compresor son una sola pieza, eliminando la necesidad de un acoplamiento. Los reductores de velocidad de tipo caja de cambios se utilizan en varias instalaciones.
A veces, aunque menos comúnmente, son accionados por turbinas de vapor u otras fuentes de energía como motores de gas natural o diesel. El diseño general del sistema y el tipo de conductor seleccionado influirán en la lubricación de estos sistemas periféricos.
El ciclo termodinámico
Una explicación de algunos principios termodinámicos básicos es necesaria para entender la ciencia de los compresores alternativos. La compresión se produce dentro del cilindro como un ciclo de cuatro partes que se produce con cada avance y retroceso del pistón (dos carreras por ciclo).
Las cuatro partes del ciclo son compresión, descarga, expansión y admisión. Se muestran gráficamente con la presión frente al volumen trazado en lo que se conoce como diagrama P-V (Figura 3).
Figura 3. Admisión
Al concluir un ciclo anterior, el pistón está totalmente replegado dentro del cilindro en V1, cuyo volumen está lleno de gas de proceso en condiciones de aspiración (presión, P1 y temperatura, T1), y las válvulas de aspiración y descarga están todas cerradas.
Esto está representado por el punto 1 (cero) en el diagrama P-V. A medida que el pistón avanza, el volumen dentro del cilindro se reduce. Esto hace que la presión y la temperatura del gas aumenten hasta que la presión dentro del cilindro alcanza la presión del cabezal de descarga. En este momento, las válvulas de descarga comienzan a abrirse, señaladas en el diagrama por el punto 2.
Con la apertura de las válvulas de descarga, la presión permanece fija en P2 durante el resto de la carrera de avance, ya que el volumen sigue disminuyendo para la parte de descarga del ciclo. El pistón se detiene momentáneamente en V2 antes de invertir la dirección.
Nótese que queda un volumen mínimo, conocido como volumen de holgura. Es el espacio que queda dentro del cilindro cuando el pistón está en la posición más avanzada de su recorrido. Es necesario un volumen mínimo de holgura para evitar el contacto entre el pistón y la cabeza, y la manipulación de este volumen es un parámetro importante del rendimiento del compresor. El ciclo se encuentra ahora en el punto 3.
La expansión se produce a continuación a medida que el pequeño volumen de gas en la bolsa de holgura se expande hasta quedar ligeramente por debajo de la presión de aspiración, facilitada por el cierre de las válvulas de descarga y el retroceso del pistón. Este es el punto 4.
Cuando se alcanza P1, las válvulas de admisión se abren permitiendo la entrada de carga fresca en el cilindro para la admisión y última etapa del ciclo. Una vez más, la presión se mantiene constante mientras se modifica el volumen. Esto marca el regreso al punto 1.
Comprender este ciclo es clave para diagnosticar los problemas del compresor, y para entender la eficiencia del compresor, los requisitos de potencia, el funcionamiento de las válvulas, etc. Este conocimiento puede obtenerse mediante la tendencia de la información del proceso y la supervisión del efecto que estos elementos tienen en el ciclo.
