COMPRESORES EN LA NEUMÁTICA

Son maquinas que aspiran un gas a una determinada presión y lo comprimen a una presión superior, la mayoría de los compresores aspiran el aire a presión atmosférica y lo comprimen a presión requerida. Antes de que el aire pueda se usado para cumplir el trabajo requerido en un sistema neumático, se le debe haber dado energía potencial en forma de presión. El compresor comprime el aire (que se encuentra a la presión atmosférica) aumentando su presión debido al cambio de su volumen.

Muchos tipos de compresores son usados en la industria. Ellos están clasificados de acuerdo a su construcción, presión y requerimientos de aplicación, como se describe en la tabla 1.1.

Método de Operación.

Un compresor de aire funciona por la creación parcial de un vacío en su entrada, de tal manera que el aire a la presión atmosférica pueda fluir a la entrada del filtro hacia el interior del compresor.

El compresor reduce el volumen mientras se incrementa la presión del aire. Cuando el aire ha sido comprimido, fluye a través de la válvula de descarga del compresor y entra a un tanque de almacenamiento, debido a que el compresor opera solo cuando la presión del tanque es baja. El flujo de aire del compresor entra al tanque siempre que el compresor esta en marcha; cuando la presión del tanque alcanza el nivel de presión deseada, el compresor se apaga. Generalmente se previene que el aire fluya de regreso a través del compresor, mediante las válvulas de descarga. El aire que está en el tanque fluirá a todas las líneas de aire que se encuentran a una presión menor que la del tanque. El aire no fluirá del tanque a las líneas de aire cuando estas tengan la misma presión. En este punto el sistema está completamente cargado

Un compresor con una capacidad ligeramente por encima de la presión requerida del sistema es seleccionado para eliminar el trabajo innecesario. De esta manera el compresor solo opera durante cortos periodos de tiempo cuando la presión cae o cuando el sistema está iniciando. La presión del sistema puede caer debajo de lo normal, cuando es empleado más aire del que el sistema es capaz de entregar. Durante esto un compresor entrega flujo en lugar de presión

Clasificación de los Compresores

Alternativos.

La compresión se consigue en el interior de un cilindro, por el movimiento alternativo de un pistón que es accionado por el mecanismo biela-manivela. Este consta de dos carreras una descendente o de admisión y otro ascendente o de descarga, ahora bien con una simple etapa de compresión podemos alcanzar hasta 4 ó 6 bares con un rendimiento aceptable, pero si necesitamos mayores presiones debemos recurrir a dos o más etapas de compresión.

Un compresor alternativo como se muestra en la figura 1.4, opera de la siguiente manera: el eje del cigüeñal del compresor es rotado por un motor eléctrico. El cigüeñal y la biela convierten este movimiento rotatorio en movimiento alternativo. El pistón está unido a la biela por un pin, el cual permite un movimiento independiente del pistón y la biela.

El pistón es movido de regreso en el cilindro por la biela y la rotación del cigüeñal. La biela retorna mientras el pistón entra y sale. Cabe anotar que las válvulas de descarga y de admisión se encuentran en la cabeza del cilindro. Debido a que el pistón regresa (en dirección al cigüeña l) se crea la suficiente presión negativa para admitir aire a la presión atmosférica para abrir las válvulas y empujar el aire dentro del espacio ensanchado. Como el pistón completa su carrera y comienza retornando, la válvula de admisión se cierra ya que regresa, se comprime aire en el cilindro y cuando ya casi ha completado su carrera el pistón ha comprimido aire a la presión suficiente para que las válvulas de descarga se abran. El aire descargado del cilindro en este punto está a la misma presión de descarga del compresor.

Las válvulas de admisión y descarga se muestran en la figura 1.5 Pueden ser de diseño de pluma, de disco o plato, o de canal. La construcción de cada una de las válvulas difiere ligeramente, pero la operación de todas es similar.

Las partes de la válvula incluyen un asiento de válvula, válvula movible y guarda o plato tope. La válvula movible permanece frecuentemente frente al asiento por un resorte, durante la operación el resorte mantiene la válvula en contacto con el asiento. Como el aire es comprimido en el cilindro se genera una presión tal que es capaz de accionar la válvula y cuando el pistón retrocede de su carrera, el resorte y la presión de descarga cierran la válvula, previniendo que el aire regrese al cilindro.

Compresores de Simple y Doble Efecto. Los compresores se clasifican de acuerdo a su operación en simple ó doble efecto y en etapas simples o multi-etapas. Un compresor que comprime aire solo con el final de un cilindro como en la figura 1.6A, es conocido como un compresor de simple efecto. Un compresor que comprime aire con ambos finales del cilindro figura 1.6B, es conocido como un compresor de doble efecto o de cabeza cruzada.

El final del vástago del cilindro puede ser sellado, lo cual permite que el pistón comprima aire en ambos finales del cilindro. La cabeza cruzada soporta el vástago del pistón (la biela) y lo mantiene alineado en el centro del sello del cilindro. Las válvulas de succión y de descarga son generalmente montadas en el lado del cilindro, a diferencia de un compresor de simple efecto donde las válvulas se encuentran en la parte superior del cilindro.

términos de simple y multi - etapa describen el número de etapas o pasos que un compresor alternativo usa para comprimir aire a su presión final. Un compresor que toma aire a la presión atmosférica y lo comprime a una presión final en una carrera, como se muestra en la figura 1.7A, es llamado un compresor de una etapa.

Un compresor que toma aire a la presión atmosférica y lo comprime en dos o más carreras como en la figura 1.7B, es llamado un compresor de multi - etapas. Un compresor de simple o multi-etapas puede ser construido con dos o tres cilindros cada uno con cilindros de diferente diámetro, los compresores de simple-etapa son más económicos para presiones por debajo de 100 psi, pero los compresores de multi-etapa son más económicos de operar a una rata de presión superior a 100 psi.

El tiempo de operación del compresor también debe tenerse en cuenta. Los compresores de simple etapa pueden ser usados con una gran economía a una presión de 125 psi, cuando operan alrededor de dos horas en un día. El compresor de multi-etapa es recomendado para una operación de 80 a 100 psig para un uso de 12 a 24 horas al día.

Compresores Alternativos de Membrana.

El funcionamiento es similar al anterior, la diferencia radica en que la aspiración y compresión, la efectúa una membrana, con este sistema se logra conseguir una gran pureza del aire ya que no esta en contacto con las partículas de aceite que puede expulsar el pistón en la carrera de compresión. Se utiliza este tipo de compresor en procesos químicos que requieren ausencia absoluta de aceites.

Construcción de Compresores.

Los compresores alternativos son identificados también por la forma en que están dispuestos los cilindros como se muestra en la figura 1.8. tales como: vertical, en v o en y, en w, horizontal, en ángulo o L y semi-radial.

Los compresores de doble efecto son fabricados en más de los arreglos mostrados mientras que los compresores de simple efecto son hechos usualmente solo con los tres primeros arreglos. Los compresores pequeños son construidos con un armazón sencillo, mientras que los grandes con dos pistones máximo, son construidos con dos armazones, cada uno próximo al otro. En estos se usa un largo cigüeñal.

Caballos de Fuerza requeridos para Enfriar.

Cuando el aire es comprimido su temperatura se incrementa debido a la fricción entre las moléculas del aire.

Cabe mencionar que se necesitan 25 caballos para producir 100 cfm de aire comprimido a 100 psi en un minuto, en un cilindro de un compresor de una etapa y que la temperatura del aire este cerca de 400°F. Por el contrario si se comprime aire en un compresor de dos etapas en lugar de una y el aire es enfriado entre la primera y segunda etapa se requerirá solo 10 Hp. Menor potencia es necesitada para comprimir el aire ya que el enfriamiento entre etapas reduce el volumen de aire que es comprimido en la segunda etapa.

Cuando un compresor tiene más de una etapa, el aire es enfriado usualmente después que el ha sido descargado de la primera etapa. Esto es conocido como Inter.-enfriador. Si el aire es enfriado después que el deja el compresor, este es pasado a través de un “after-cooler”.

El compresor puede ser enfriado también con agua o con aire dependiendo de la aplicación. El enfriamiento con aire es menos costoso por que requiere menos equipos pero el enfriamiento por agua es más eficiente. El enfriamiento por aire es limitado generalmente para pequeños compresores (menos de 25 Hp) y el enfriamiento con agua se utiliza para grandes unidades.

Un compresor de dos etapas enfriado por aire se muestra en la figura 1.9A. Este tiene un cilindro grande para la primera etapa y un cilindro pequeño para la segunda etapa. Nótense las aletas de enfriamiento sobre las paredes del cilindro y sobre la cabeza del cilindro del compresor, estas aletas son hechas cuando se fabrica la cabeza del cilindro. De esta manera el calor es conducido directamente a las superficies de enfriamiento. El calor de las aletas es entonces trasmitido a los alrededores por convección y radiación.

Un compresor típico de dos etapas enfriado por agua, también es mostrado en la figura 1.9B, nótese el paso de agua dentro de la cabeza y el cilindro del compresor. Este compresor de dos etapas tiene un cilindro grande en la primera etapa en cada lado del compresor y el cilindro de la segunda etapa es ligeramente menor y está ubicado en la mitad del compresor. El calor generado en el cilindro es conducido directamente al agua en su paso.

En un compresor de dos etapas enfriado por agua como en la figura 1.9B, es suministrado con un intercambiador ubicado entre la primera y la segunda etapa, con el propósito de enfriar el aire entre etapas. Varios tipos de “Inter.-coolers”, son manufacturados para compresores. Estos pueden ser refrigerados por aire ó refrigerados por agua, dependiendo de la aplicación del compresor.

Los intercambiadores enfriados por aire, son de uno o más tubos aleteados a lo largo de su longitud, conectando la primera y segunda etapa del compresor. El aire comprimido caliente pasa a través de los tubos cediendo su calor a estos los cuales a su vez lo transmiten a las aletas de enfriamiento, por lo que las aletas extienden el calor sobre una gran área de superficie.

El enfriamiento depende de la cantidad y temperatura del aire comprimido, la longitud de los tubos, el número de aletas, la temperatura y la velocidad del aire de enfriamiento moviéndose sobre los tubos. Para ayudar a transferir el calor de los tubos aleteados, muchos compresores refrigerados por aire utilizan un ventilador, motado en el cigüeñal del compresor. Este ventilador es fundido usualmente como una pieza del volante del compresor que fuerza el aire sobre las aletas mientras el compresor está en marcha.

El intercambiador refrigerado por agua es simplemente un intercambiador de tubos y coraza que está compuesto de un haz de tubos montados en la coraza. El agua de enfriamiento se dispone para pasar a través de la coraza y el aire comprimido para fluir a través de los tubos.

El aire de descarga caliente, transfiere su calor a los tubos y luego al agua. Algunos intercambiadores de calor son montados de manera diferente, con el agua corriendo a través de los tubos y el aire pasando a través de la coraza.

En cualquier que sea el arreglo que se utilice, el fluido y el aire fluyen usualmente en direcciones opuestas, comúnmente llamado contra-flujo. El aire que entra al intercambiador es enfriado por el líquido que está saliendo. Como el aire se mueve a través del intercambiador de calor, es enfriado por el agua de enfriamiento.

Finalmente antes que el aire deje el intercambiador es enfriado por el agua, que entra al intercambiador de calor. Esta es una manera más eficiente de transferir calor que el flujo paralelo, donde el agua y el aire fluyen en la misma dirección.

Como en los aires acondicionados, la cantidad de calor transferido en el intercambiador de calor depende de la cantidad de aire enfriado, la cantidad de agua usada, de cuan caliente este el aire, de cuan fresca o fría este el agua y del tamaño del intercambiador. La precaución que debe tomarse en un intercambiador que enfríe por agua es que el aire no debe ser enfriado a una temperatura donde el vapor de agua del aire se condense. Si esto ocurre se encontrará agua en el intercambiador, la cual puede ser llevada a la etapa de alta presión del compresor y causar daño.

Compresores Rotativos.

Aunque el aire comprimido (sobre 100 Psi) es comúnmente usado en la industria, muchas plantas usan aire de 50 a 75 psi, pero debe moderarse para altos flujos. En algunas aplicaciones la presión del aire solo tiene que ser incrementada una pequeña cantidad (5 a 10 psi), pero el aire tiene que estar disponible en grandes cantidades. Esto sería derrochador y costoso al comprimir el aire a alta presión y luego reducirla a un bajo nivel a causa de aplicaciones de presión moderada.

Aplicaciones de presión baja son frecuentemente denominadas aplicaciones de procesos y son usadas para enfriamiento, calentamiento, movimiento de materiales al granel y para ayudar en la combustión. Los compresores que suministran aire para estas aplicaciones son usualmente del tipo rotatorio y son fabricados en diversos modelos ó estilos. Algunos son diseñados para suministrar aire a grandes cantidades y a presiones intermedias, mientras otros suministran solamente aire a procesos de baja presión.

Clasificación de Compresores Rotativos.

Los compresores rotativos también se clasifican en compresores de desplazamiento positivo y dinámico. Los compresores rotativos con entrada separada mecánicamente y aberturas de descarga son clasificados como de desplazamiento positivo. Los compresores dinámicos no tienen métodos de separación en la entrada ni en las aberturas de descarga y permiten el libre paso del aire cuando ellos no están funcionando. Los compresores de aire rotatorio de desplazamiento positivo incluyen: un alabe de deslizamiento, tornillo sin fin seco, tornillo sin fin húmedo, anillo fluido y tipos de Impeler o lóbulo. Los compresores dinámicos incluyen tipos de flujo centrífugo y axial que son semejantes a las bombas de fluido usado en diferentes etapas o pasos, los cuales constan de un impeler independiente para conseguir su presión de operación.

Compresores con Alabe.

Los compresores con alabe de deslizamiento mostrado en la figura 1.10., es un compresor rotatorio de desplazamiento positivo. Este compresor es una unidad compacta que es menos eficiente que un compresor con pistón, pero es mas eficiente que algún otro compresor rotatorio. Estos compresores son bastante semejantes a las bombas con alabes, pero son mas largos. El compresor consiste en un rotor con ranuras radiales montado fuera del centro en una cubierta redonda. El rotor es equipado con alabes rectangulares localizados en las ranuras.

Como el rotor gira, la presión negativa creada por los alabes causa que el aire sea sacado a través de la entrada del compresor. Como el rotor continua girando, los alabes limitan el aire en un espacio que es cada vez más pequeño. Como los alabes se aproximan al lugar de descarga de la cubierta, el aire es comprimido y luego descargado a través de la abertura de descarga.

Los compresores de alabe de Fase Simple son capaces de desarrollar presiones de descarga hasta de 50 psi. Aunque esto es conveniente para algunas aplicaciones, ello puede ser desfavorable para otras. Si se requiere una presión más alta, puede usarse un modelo de Dos Fases, estos son capaces de desarrollar presiones hasta de 125 psi.

Los compresores de alabe son más pequeños que los compresores de pistón, teniendo la presión de descarga y capacidades de flujo comparables. Sin embargo su eficiencia de operación es también un poco más baja. A 100 psi ellos desarrollan un poco menos de 4 cfm por HP, comparando con aproximadamente 5 cfm por HP para compresores de pistón.

Debido a que muchos compresores con alabe operan el motor a velocidades de 1200 a 1800 rpm, es requerida una lubricación presurizada por los apoyos y otras partes rotatorias

Compresores Rotatorios de Tornillo Sinfín Seco.

El compresor de desplazamiento positivo con Tornillo Sinfín Rotatorio seco, mostrado en la figura 1.11., combina lo compacto de un compresor rotativo con una presión más constante que la que puede ser obtenida de un compresor de pistón.

El diseño de un compresor de tornillo sinfín es totalmente diferente de otros compresores. Estos son construidos con dos motores; uno con un perfil (hembra) cóncavo y otro con un perfil (macho) convexo. El rotor puede tener o no el mismo número de lóbulos o aletas, dependiendo del fabricante. Los rotores son hechos de acero, aleaciones de Aluminio u otros metales de alta resistencia. El engranaje de los motores con alrededor de 0.003 (31 milésima de pulgada) de espacio muerto entre ellos. Los rotores son impulsados y prevenidos del contacto por una serie de mecanismos de tiempo.

Debido a que el rotor gira, un área de presión negativa es creada en la entrada permitiendo que el aire sea arrastrado dentro de la cubierta. El aire que ingresa en la entrada es atrapado entre los rotores y la cubierta tanto en los engranajes de los rotores hembra y macho. El aire es conducido a lo largo de un espacio que es más pequeño progresivamente hasta que es descargado. Sucesivos robos de aire son recogidos, comprimidos y descargados de esta manera; cada cavidad completa su descarga; como la siguiente cavidad comienza a descargar, esto provee un uniforme, continuo y libre colisión de flujo de aire.

Compresores de fase simple son patentes por los motores tan grandes como 75HP y produce aproximadamente 300 cfm a 50 psi. Los compresores de doble fase, tienen más pequeños los tornillos sinfín de la segunda fase , la cual es alimentada por un tubo o conducto de flujo directo desde el orificio de descarga de la primera fase. La segunda fase puede ser impulsada directamente desde la fuente impulsora o desde el soplador de la primera fase. El rango de presiones es aproximadamente 150 psi para los compresores de doble fase y de 250 psi para los de triple fase

A pesar de que usualmente no hay enfriamiento, los refrigerantes de agua o aire frío y los compresores de tornillo sinfín son aprovechados por modelos del tipo seco.

A diferencia de los compresores de pistón o reciprocantes, los compresores de tornillo operan a velocidades entre 3000 y 12000 rpm. Debido a las altas velocidades ellos son mantenidos en movimiento continuamente. Cuando el sistema ha alcanzado su presión máxima, la líneas de descarga es descargada por desviación del aire comprimido retornando a la atmósfera. Los compresores de tornillo sinfín seco son generalmente usados en sistemas de potencia neumática donde comparativamente grandes cantidades de aire libre y de aceite son necesarias. Ellos pueden también suministrar grandes cantidades de aire de 80 a 120 psi y usan un espacio menor de fondo que un compresor de pistón, pero tienen desplazamientos mas bajos (3 ½ a 3 ¾) cfm y la cubierta y su acción como cuña lo hacen susceptible a la suciedad, sin embargo ellos deben ser bien protegidos por filtros de entrada.

Compresores Rotatorios de Tornillo Sinfín Húmedo.

El compresor de tornillo sinfín rotatorio humeado es similar en diseño y construcción a el compresor de tornillo sinfín seco. Sin embargo, en este compresor ( mostrado en la figura 1.12.)., el aceite es esparcido en la cámara de entrada para disminuir la temperatura y es trasportado solo por el aire. Tanto el líquido como el aceite pasan a través del compresor y son separados en el recibidor o por un separador de aceite. Ambos compresores de tornillo sinfín húmedo y seco son impulsados a altas velocidades donde motores eléctricos u otro impulsor de velocidades mas baja es usado.

Compresor de Anillo Líquido.

El compresor de anillo líquido, (mostrado en la figura 1.13), es un tipo diferente de compresor rotativo, aunque es similar a un compresor de alabe, es totalmente diferente. Los principales componentes incluyen la cubierta, un eje impulsor, un rotor con aleta fija y un líquido (usualmente agua).

Durante la operación el líquido es transportado alrededor del interior de la cubierta por las aletas del rotor. Puesto que el rotor gira, el líquido (reaccionando la fuerza centrífuga) persigue el contorno de la cubierta y debido a que el rotor y la cubierta no son centrados, el líquido forma una cámara de compresión interior flexible, como las aletas del rotor, por el orificio de entrada pasa el aire, el cual es arrastrado dentro del compresor por el incremento del tamaño de la cámara formada por el fluido. El tamaño de la cámara comienza a disminuir cerca al orificio de salida del compresor y el aire es descargado donde la cámara está mas pequeña.

Los compresores de anillo líquido tienen capacidades hasta de 5000 cfm a 75 psi, en modelos de fase simple, los cuales pueden producir hasta 10000 cfm, pero a un rango de presión mas bajo (aproximadamente 15 psi). Presiones superiores a 75 psi pueden también obtenerse pero con una reducción en la capacidad. Debido a que ellos arrojan aire libre de aceite y libre de cenizas, estos compresores han sido diseñados para ser muy eficientes, para aire de instrumentos y control de aire. El enfriamiento del líquido en el aire cuando esta siendo comprimido contribuye en el aumento de la eficiencia del compresor.

El aire contaminado ingresa a la cámara del fluido, deposita los contaminantes en la superficie del líquido. El líquido sobrante en el compresor puede ser filtrado y limpiado con chorros de agua cuando es requerido.

Compresores de Gran Volumen y Baja Presión.

Estos compresores son frecuentemente relacionados con sopladores debido a que ellos son diseñados para un gran volumen antes que para presión. Las unidades son ajustadas con un ensamblado, dos interlock, sincronizador e impeler con mecanismos de impulso. Los impeler puede tener dos, tres o cuatro lóbulos, los cuales pueden ser directos o tener un leve giro o una configuración helicoidal. Los mecanismos de tiempo previenen que los lóbulos tengan contacto. El compresor Impeler mostrado en la figura 1.14., es un compresor de baja presión. Sus operaciones pueden ser comparadas con las de una bomba de engranaje.

Debido a que los impeler rotan, ellos crean una presión negativa en la entrada, la cual impulsa el aire dentro del ensamblado y a su vez, conducen el aire entre el lóbulo y el ensamblado en dirección al orificio de descarga. Ya que en el engranaje de lóbulos el aire es prensado fuera del orificio de descarga. Los Impeler son usados en máquinas con tolerancias muy estrechas y tienen solamente 0.003” a 0.006” de espacio muerto entre ellos. Para ser eficientes deben ser operados a las rpm recomendadas.

Estos compresores manejan grandes cantidades de aire relativamente, con presiones hasta de 10 psi. Si son requeridos presiones mas altas, una segunda fase puede ser adicionada para incrementar la presión de descarga a 30 psi. Debido a su rendimiento de baja presión no son usados frecuentemente en sistemas de fuerza neumática; son usados para suministrar aire de procesos o instrumento.

Compresores de Diafragma.

Los compresores de diafragma son usados para muchas aplicaciones diferentes y son clasificados como compresores de desplazamiento positivo. El diafragma del compresor, como el mostrado en la fig. 1.15 es usualmente conectado a un impulso excéntrico por un pistón y a un vástago disponible.

Compresores Dinámicos

Estos son diseñados para suministrar grandes cantidades de aire (tan grandes como 10000 cfm) a presiones hasta de 125 psi. Ellos son usados principalmente para suministrar aire al proceso, pero también pueden ser usados para ventilación. Sus capacidades mínimas, son de aproximadamente 3000 cfm, lo hacen tan grande para la mayoría de sistemas de fuerza neumática. Al mismo tiempo unidades mas pequeñas llevan aire a presiones (25 a 30 psi) tan baja para sistemas de aire comprimido. Estos tipos de compresores con presiones tan bajas son igualmente clasificados preferiblemente como sopladores que como compresores. Los compresores dinámicos son mas compactos y potentes que los sopladores o abanicos usados en calentamiento o instalaciones de ventilación pero no menos eficientes y mas ruidosos. Los dos principales tipos de compresores dinámicos son: centrífugos y de Flujo axial.

Compresores Centrífugos.

Un tipo de compresores centrífugos es el mostrado en la figura 1.16. Este es un compresor de tres fases y es un compresor típico mult-fase de los que actualmente están siendo fabricados.

El compresor consiste de tres Impeler comprimidos, individuales, de diferentes tamaños montados en un incrementador de velocidad, el cual esta montado en un plato horizontal que también soporta la fuente de la potencia. La fuente puede ser un motor eléctrico, una maquina de combustión interna o una turbina de vapor o gas.

Muchos compresores centrífugos son equipados con enfriamiento dentro y fuera para prevenir que la temperatura del aire incremente excesivamente. Lo típico de los compresores centrífugos es que el impeler debe rotar a altas velocidades para ser eficiente.

En cuanto a la construcción de este tipo de compresores, ellos se asemejan a las bombas centrífugas. Utilizan refrigerantes entre las diferentes etapas de los compresores multifásicos, mejorando la eficiencia del compresor por la reducción de la potencia necesaria para comprimir el aire.

Dependiendo de las aplicaciones los Impeler tienen diferentes formas y son clasificados como de Flujo radial o mixto. Muchos compresores de flujo mixto y fase simple son usados como elevadores de presión o sopladores.

Compresores de flujo axial.

El compresor de flujo axial multifásico mostrado en la figura 1.17., es otro tipo de compresor centrífugo; es capaz de desarrollar una constante de aire de flujo relativamente a presiones mas bajas (aproximadamente 50 psi).

Este tipo de compresores tienen varias filas de aletas montadas sobre el rotor. La velocidad de las aletas aumenta con el paso del aire a través de ellas, tanto como un abanico. Las hileras de aletas del difusor estacionario son montadas entre las aletas de rotación. Las aletas estacionarias convierten e incrementan la velocidad axial del aire a aproximadamente 3 psi de presión por etapa. Cuantas mas fases, la presión de descarga es mas alta. Debida a sus grandes cfm, desarrollo de baja presión, muchos compresores de flujo axial son limitados para aplicaciones de procesos de aire.

Compresor Roots.

Estos compresores alcanzan presiones muy bajas del orden de los 2 bares y solo transporta el volumen de aire aspirado del lado de aspiración al de compresión sin comprimirlo en este recorrido, el volumen que llega a la boca de descarga, todavía con la presión de aspiración, se mezcla con el aire ya comprimido de la tubería de descarga y se introduce en la cámara llegando esta a la presión máxima siendo luego expulsado.

Turbocompresores.

Funcionan bajo el principio de la dinámica de los fluidos en donde el aumento de presión no se obtiene a través del desplazamiento y reducción del volumen sino por efecto dinámico del aire.

Radial.

Es una a turbina de tres etapas y se basa en el principio de la compresión del aire por fuerza centrifuga y consta de un rotor centrifugo que gira dentro de una cámara espiral, tomando al aire en sentido axial y arrojándolo a gran velocidad en sentido radial, la fuerza centrifuga que actúa sobre el aire lo comprime contra la cámara de compresión. Son máquinas de alta velocidad superior a l5000 r.p.m

Axial.

Este tipo funciona por el principio de la compresión axial (principio del ventilador), el aire es aspirado e impulsado simultáneamente, se construyen de varias etapas (20 rodetes). En estos compresores se obtienen presiones muy bajas y por el contrario se obtienen elevados caudales, raramente se utilizan en neumática industrial.

Selección del Compresor.

Al momento de seleccionar un compresor para una aplicación en particular o seleccionar su ubicación, hay factores que afectan el mantenimiento del mismo; sin embargo ello ayudará a entender que hacer para tomar esta decisión. Las siguientes consideraciones son importantes cuando seleccionamos un compresor para una aplicación particular:

Capacidad en cfm.
Temperatura de descarga del aire comprimido.
Nivel de presión del compresor operando.
Altura de instalación.
Temperatura de entrada y rango de humedad.
Aire o agua de enfriamiento disponible.
Tipo de energía (eléctrica, turbina, motor).
Condiciones atmosféricas (corrosivos, polvo, humedad)
Condiciones de descarga (libre de aceite, frió, seco)
Accesorios (controles de arranque y capacidad, filtros, controles de Seguridad)

Hasta cierto punto los requerimientos de un compresor de planta son influenciados por el tamaño del compresor existente, su ubicación, el tamaño y ubicación del tanque de almacenamiento y el tamaño de las líneas de aire.

Un método aproximado para determinar la capacidad necesaria del compresor nuevo o adicional, es determinar el aire total que se usará durante algún periodo pico, 15 minutos o media hora. Prever de 5 a 10% de la capacidad por escapes y seleccionar un compresor que sea igual o levemente superior en capacidad requerida.

Si no se conoce la disipación de aire de la planta, se seleccionan varias piezas del cuerpo común localizado en la planta. Se calcula o se mide la cantidad de aire requerido por cada pieza y luego se multiplica por el número de veces por hora que el equipo es usado y el numero de piezas que hay en la planta. Aunque esto no puede ser exacto, dará una buena indicación de la cantidad de aire requerido.

Otro factor de capacidad es si la ubicación de los compresores es centralizada o no. Consideraciones de servicios y mantenimiento usualmente recomiendan centralización. Sin embargo, si la planta es grande, los requerimientos de aire variaran en diferentes ubicaciones. La instalación de compresores donde el aire es requerido puede se mas económico. Si varios compresores son usados y uno se avería, los otros pueden hacerse cargo hasta que el daño sea reparado. Los compresores deberían ser ubicados tal que ellos estén suministrando aire tan limpio, frío y seco como sea posible.

Otro factor que afecta la ubicación del compresor es la cantidad de electricidad disponible (Si el compresor es impulsado por un motor eléctrico). También se tiene en cuenta la iluminación, la salida de electricidad conveniente, la ventilación, y el agua para enfriamiento, si es requerida.

El ruido del compresor no deberá ser tan estrepitoso y el piso debe ser capaz de soportarlo. Idealmente cada compresor deberá ser instalado en un lugar cerrado bien ventilado. Esto es más fácil en estaciones de compresión centralizado.

Antes de seleccionar un compresor, los requerimientos de presión de los equipos neumáticos usados en la planta deben ser determinados. La mayoría de los equipos operan a 100 psi aunque algunos operan a 150 psi, por lo cual se requiere un compresor que suministre una presión mínima de 150 psi.

Capacidad del Compresor.

La capacidad del compresor es usualmente especificada en términos de ft3 /min (cfm). Algunas veces se requiere más que esta especificación. Cuando esto ocurre se definen especificaciones tales como ACFM (ft3 /min actual) y SCFM (ft3 /min estándar).

ACFM es también tomado como la capacidad de aire libre, la capacidad actual es medida en el compresor de entrada cuando es instalada. Ello incluye la temperatura, presión atmosférica y condiciones de humedad del aire de entrada en el compresor.

La capacidad Estándar (SCFM) es especificado en condiciones de entrada estándar incluyendo una temperatura de 60oF y una atmósfera de presión de 14.7 psi a y aire seco de humedad relativa 0%. Muchos fabricantes tienen cartas que muestran la diferencia entre SCFM y ACFM para condiciones diferentes.

Revisión de la Capacidad del Compresor.

Muchas veces después que un compresor ha sido instalado y operado, este no se comporta de la forma deseada. Cuando esto sucede, la capacidad del compresor debe ser revisada. Si el compresor opera con los datos y especificaciones que fueron obtenidos y verificadas en el momento de instalación, ellos pueden ser revisados cuando sea necesario.

Usualmente, el primer ítem revisado es la potencia de rendimiento del motor principal que puede ser revisada por varios métodos diferentes. Si el motor principal es un motor eléctrico, la lectura del amperaje debe ser tomada y comparada con la tablas que muestren la corriente arrastrada por diferentes tipos y tamaños de motores eléctricos. Si el motor está también sobrecargado es posible que el compresor este también sobrecargado intentando producir la capacidad del Nameplate. Cuando esto pasa la vida útil del compresor se reduce y los costos de operación son incrementados. Algunas veces el motor esta sobrecalentado, entonces se debe revisar las ACFM del compresor. Si el motor no esta sobrecargado pero la capacidad del compresor es baja, revise las ACFM.

Accesorios.

Switches de operación
Descargadores
Intercooler y controles
Conexiones de enfriamiento del compresor
Motores
Sistemas de lubricación
Filtro de aire a la entrada
Recibidores de aire
Una base

Los Accesorios como descargadores, equipos lubricantes y controles de presión, pueden ser montados en varios tipos de compresores.

Otros equipos son seleccionados para uso de un compresor particular o grupo de compresores y sustituciones, no deberían realizarse sin la aprobación del fabricante. Estos otros equipos incluyen Switches, válvulas piloto descargadoras, intercooler, motores de primera, bombas lubricantes, filtros de entrada y cámaras amortiguadoras de descarga.

Compresores Empaquetados.

Usualmente los compresores empaquetados completos, como los de la figura 1.18., van montados en una base o tanque , con todos los equipos y accesorios necesarios para operar independientemente, solo requiere estar conectados a las líneas de servicio.

Las bases o tanques son diseñados para ser fijado con tornillos en bases convenientes. En algunas instalaciones,0 los compresores son simplemente anclados al piso.

Los compresores portátiles son unidades empaquetadas montadas en un camión o remolque fabricado con ruedas. Unidades empaquetadas son suministradas con motores eléctricos como motores de primera y son usualmente disponibles para ser “enchufado en casa”.

Los compresores empaquetados más grandes van equipados con algunos medios de enfriamiento.

Instalación de Aire Comprimido.

Al proyectar una instalación de aire comprimido debemos tener en cuenta que la red debe cumplir con las siguientes condiciones:

Mínima pérdida de presión
Mínima pérdida de fugas
Mínima cantidad de agua en la red

En condiciones normales de funcionamiento la mayor parte de los equipos neumáticos y herramientas están diseñadas para operar con una presión de 6 a 7 Kg/cm². Ahora bien hay que tener en cuenta que la presión del aire en el compresor no es la presión del aire en la herramienta debido a las perdidas en la tubería, llaves de paso, depósitos, etc. Se admite una caída de presión entre el compresor y el útil no superior a un 2% de la presión efectiva del compresor, es decir 0,14Kg/cm² pero en casos excepcionales la pérdida de presión puede alcanzar hasta un 0,5Kg/cm². No debemos olvidar que una cosa es presión de aire en el compresor y otra es presión de aire en la herramienta. En general la pérdida de presión es:

Inversamente proporcional a la quinta potencia del diámetro para un caudal de aire prefijado.
Directamente proporcional a la longitud de tubería.
Directamente proporcional al cuadrado del caudal de aire libre que pasa por la tubería.
Directamente proporcional a la velocidad (entonces para tuberías de conducción muy largas donde se cuentan en Km. la velocidad no debe pasar de 5 a 7 m/seg. pero en instalaciones industriales puede llegar de 8 a 15 m/seg.)

En consecuencia si por un deficiente proyecto de instalación la presión de trabajo que pide la herramienta o el equipo neumático no puede mantenerse, la potencia de las máquinas y útiles neumáticos decrece a mayor proporción que lo hace la presión, disminuyendo por consiguiente el rendimiento.

La fuga de aire es la cantidad de aire comprimido incontrolado que se pierde, es un volumen sorprendentemente alto, y no es siempre fácil de descubrir dado que el aire no es visible y es inodoro. Si la fuga de aire es grande es fácilmente detectable por el ruido, lo grave es cuando es pequeña ya que no se detecta fácilmente, y el conjunto de pequeñas perdidas puede representar de un 25 a un 30% de la capacidad total del compresor. Además, cuando el abastecimiento de aire comprimido no es suficiente, puede bajar la presión resultando una reducción considerable en la potencia de las herramientas neumáticas y por lo tanto baja su rendimiento. Debemos tener presente que una fuga es una pérdida de aire continua, lo que significa que tendría un mayor consumo de energía.

Redes de Distribución de Aire Comprimido.

Al proyectar una red de distribución de aire comprimido debemos estudiar todas las aplicaciones del mismo y transportarlas a un plano en planta, en donde se dejarán localizadas. Debemos recordar que un buen proyecto de instalación del sistema trae aparejado un buen rendimiento del mismo y una muy buena utilización de la capacidad del sistema neumático.

Parámetros.

Los parámetros que deciden en una instalación de aire comprimido son:

Presión.

La presión a la cual deseamos trabajar, tanto para el caudal de aire suministrado por el compresor como para el de utilización en la red. Mientras no se indique lo contrario, al hablar de presiones serán siempre presiones efectivas, que se cuentan a partir de la presión atmosférica. Los manómetros industriales miden la presión efectiva. Por presión absoluta se entiende la suma de la presión atmosférica (en la práctica se toma l Kg/cm²) más la suma de la presión indicada en el manómetro (en Kg/cm², atm, etc.).

Caudal.

El caudal de aire comprimido que debe suministrar el compresor, así como el que debe circular por cada zona de trabajo o ramal de distribución, deberá ser calculado por métodos conocidos. El caudal de aire comprimido viene expresado en N m3 /min o en N l/min., referidos al aire libre.

Pérdida de presión.

La pérdida de presión, pérdida de carga o caída de presión, se refieren a pérdida de energía que se va originando en el aire comprimido ante los diferentes obstáculos que encuentra en su desplazamiento hacia los puntos de utilización, como son: refrigerador posterior, secador, filtro, tuberías, etc.-

Al momento de realizar un proyecto es muy importante prever que las caídas de presión estén dentro de los límites permisibles, con el objeto de obtener un buen rendimiento del sistema.

Velocidad de circulación.

También existe límite para la velocidad del aire, ya que cuanto mayor es la velocidad de circulación, tanto mayor es la pérdida de presión en el recorrido hasta el punto de aplicación.

Disposición de las Redes de Aire Comprimido.

Una vez fijadas la presión, caudal, pérdidas de presión y velocidad de circulación, ya se está en condiciones de dimensionar la instalación y encontrar los diámetros de tubería mediante el empleo de cualquier sistema de cálculo de tuberías. Teniendo a la vista los puntos de consumo, ubicación de máquinas, estructura del edificio, grado de sequedad del aire etc. podremos establecer la disposición gráfica de la red de tubería, adoptando el circuito cerrado o el circuito abierto.

Debe tenerse en cuenta, al diseñar la red de tuberías, que el factor más importante a tener en cuenta es la humedad del aire, puesto que aplicando las fórmulas que correspondan, el caudal y la pérdida de presión se pueden calcular matemáticamente, así como el diámetro de tubería más conveniente.

Dependiendo de si el aire está seco o no, es el tipo de circuito a utilizar, cerrado o abierto respectivamente. Se recomienda, que si el aire no es seco se use un circuito abierto con cierta pendiente (1 %), en dirección del flujo de aire para permitir la eliminación del agua condensada al final de la línea en la que se instalarán purgadores.

Si se proyecta un circuito cerrado, el aire en un principio tiene una dirección determinada, pero cuando se llena el depósito y la tubería de conducción, la dirección del aire va a depender de los consumos mayores que se originen dentro del circuito, lo que puede dar lugar a un movimiento rotatorio dentro del sistema, que anulará la eficacia de los equipos de evacuación del agua.

Además, hay que tener en cuenta que los equipos de separación de agua, tienen todos una entrada y una salida de aire, es decir, la entrada es por donde llega el aire sucio con impurezas y humedad, y una salida de aire tratado para su utilización, estos separadores de agua tienen una flecha visible indicando la dirección del flujo, por tanto en un circuito cerrado, a estos elementos le puede llegar aire por ambos lados inutilizándolo.

Tuberías.

Para el transporte de aire comprimido desde el depósito hasta los lugares de utilización, se emplea una red de conducciones conocidas bajo el nombre genérico de tuberías. Se pueden considerar tres tipos de tuberías:

Tubería principal, llamada también tubería madre:

Se denomina tubería principal, a la línea de aire que sale del depósito y conduce la totalidad del caudal de aire. Debe tener la mayor sección posible y prever un margen de seguridad en cuanto a futuras ampliaciones de fábrica, por consiguiente, a un aumento de la central de compresores. La velocidad máxima del aire es de 8 m/seg.

Tuberías secundarias.

Son las que toman el aire de la tubería principal, ramificándose por las áreas de trabajo, y de las cuales salen las tuberías de servicio. El caudal de aire que transportan será el correspondiente a la suma de los caudales parciales que de ella se deriven. También es conveniente prever alguna futura ampliación al calcular su diámetro.

Tuberías de servicio.

Las tuberías de servicio, o bajantes, son las que alimentan a los equipos neumáticos. Llevan los enchufes rápidos y las mangueras de aire, así como los grupos filtro-regulador- lubricador. Se deben dimensionar conforme al número de salidas o tomas, procurando que no se coloquen más de dos o tres enchufes rápidos en cada una de ellas. Se debe procurar no hacer tuberías de servicio inferiores a 1/2" ya que si el aire está sucio, puede taparlas. La velocidad máxima del aire es de 15 m/segundo.

Deposito de Aire Comprimido.

Toda instalación de aire comprimido debe disponer de un deposito de aire, el cual estará entre el compresor y la red tratando que las distancias de unión sean lo menor posible, por tal motivo en equipos relativamente pequeños el compresor y él deposito son una sola unidad. En este punto debemos dejar perfectamente claro que la función del depósito es solamente para:

Acumular dentro de ciertos límites el aire comprimido.
Equilibrar las pulsaciones de aire procedente del compresor.
Compensar en forma instantánea un consumo extra absorbido por una máquina, es decir, compensar las fluctuaciones del sistema.
En caso de corte de energía, permitir que los dispositivos neumáticos vuelvan a su posición de reposo.
Refrigerar el aire proveniente del compresor y que fue calentado por el proceso de compresión.
Recoger el aceite que proviene del compresor y separar el agua de condensación al enfriarse el aire.
Regular el funcionamiento del compresor en función del consumo, o sea, si el caudal a la salida del compresor es superior al consumo de aire de la red, el dispositivo de regulación lo detiene a intervalos de tiempo determinados, pero durante ese tiempo de detención, el depósito de aire debe alimentar al sistema con el aire almacenado.

De acuerdo a lo expuesto podemos sacar en conclusión que el depósito no corrige los errores cometidos en el diseño de la instalación o mala selección del compresor, ya que no debemos confundir un depósito de aire comprimido con una fuente de energía por aire, es decir, que no suministra aire continuamente, actúa como acumulador para satisfacer una demanda "instantánea" de aire. También se recomienda y con el afán de mejorar la refrigeración del depósito instalarlo fuera de la sala de máquinas (al aire libre).

Como medida de seguridad los depósitos deben llevar los accesorios siguientes:

Válvula de seguridad que permita la evacuación total del caudal del compresor cuando exista una sobrecarga (generalmente del l0% al 20%). Esta válvula actúa generalmente cuando no se activa el presostato de corte que habiendo llegado a la presión para el cual se ha regulado, el compresor sigue funcionando (no se detiene).
Manómetro, este instrumento de medición indica la presión a la cual se encuentra el depósito.
Llave de purga manual ó automática ubicada en el fondo del depósito para evacuar el agua que se ha condensado y el aceite.
Presostato, es un elemento de control que esta conectado al sistema de regulación del compresor y efectúa la detención del motor cuando se ha alcanza la presión preestablecida en el depósito.

En todos los casos la capacidad del depósito esta determinado según el tipo de regulación, así para el caso de regulación automática la capacidad del depósito en m 3 , no debe ser inferior al caudal del compresor en m3 /min. Esta norma se adopta si la variación de presión del depósito se encuentra entre 1 a 1.5 Kg./cm2 .

También debemos tener en cuenta, que el compresor no debe arrancar más de 10 veces por hora, excepcionalmente 15 veces por hora.

COMPRESORES EN LA NEUMATICA