Compresor de gas y de aire: definición, tipos y funcionamiento

Hay muchos tipos diferentes de compresores de gas. Las dos categorías principales son:

• Compresores de desplazamiento positivo con dos subcategorías:
• Reciprocante
• Rotary
• Compresores dinámicos también con dos subcategorías:
• Centrífuga
• Axial

A continuación se analizan los tipos más importantes de cada una de las cuatro subcategorías.

Compresores centrífugos

Los compresores centrífugos utilizan un disco giratorio abombado o un impulsor en una carcasa con forma para forzar el gas hacia el borde del impulsor, aumentando la velocidad del gas. Una sección difusora (conducto divergente) convierte la energía de la velocidad en energía de la presión. Se utilizan principalmente para un servicio continuo y estacionario en industrias como refinerías de petróleo, plantas químicas y petroquímicas y plantas de procesamiento de gas natural. Su aplicación puede ser desde 100 CV (75 kW) hasta miles de CV. Con múltiples etapas, pueden alcanzar presiones de salida extremadamente altas, superiores a 10.000 psi (69 MPa).

Muchas grandes operaciones de fabricación de nieve (como una estación de esquí) utilizan este tipo de compresor. También se utilizan en motores de combustión interna como sobrealimentadores y turbocompresores. Los compresores centrífugos se utilizan en pequeños motores de turbina de gas o como etapa final de compresión de turbinas de gas de tamaño medio.

Compresores de flujo diagonal o mixto

Los compresores diagonales o de flujo mixto son similares a los compresores centrífugos, pero tienen un componente de velocidad radial y axial a la salida del rotor. El difusor se utiliza a menudo para girar el flujo diagonal hacia la dirección axial. El compresor diagonal tiene un difusor de menor diámetro que el compresor centrífugo equivalente.

Compresores de flujo axial

Los compresores de flujo axial utilizan una serie de palas giratorias en forma de abanico para comprimir progresivamente el flujo de gas. Los álabes estacionarios del estator, situados a continuación de cada rotor, redirigen el flujo hacia el siguiente conjunto de palas del rotor. El área de paso del gas disminuye a través del compresor para mantener un número de Mach axial aproximadamente constante. Los compresores de flujo axial se utilizan normalmente en aplicaciones de gran caudal, como los motores de turbina de gas de tamaño medio o grande. Casi siempre son de varias etapas. Más allá de una relación de presión de diseño de aproximadamente 4:1, a menudo se utiliza la geometría variable para mejorar el funcionamiento.

Compresores alternativos

Los compresores alternativos utilizan pistones accionados por un cigüeñal. Pueden ser fijos o portátiles, de una o varias etapas, y pueden ser accionados por motores eléctricos o de combustión interna. Los compresores alternativos pequeños, de 5 a 30 caballos de potencia (CV), se suelen ver en aplicaciones de automoción y suelen ser para trabajos intermitentes. Los compresores alternativos más grandes, de hasta 1.000 CV, siguen siendo habituales en las grandes aplicaciones industriales, pero su número está disminuyendo al ser sustituidos por otros tipos de compresores. Las presiones de descarga pueden ir desde la baja presión hasta la muy alta (>5000 psi o 35 MPa). En ciertas aplicaciones, como la compresión de aire, se dice que los compresores de doble efecto de varias etapas son los más eficientes disponibles, y suelen ser más grandes, más ruidosos y más costosos que las unidades rotativas comparables.

Compresores de tornillo

Los compresores de tornillo utilizan dos tornillos helicoidales rotativos de desplazamiento positivo para forzar el gas en un espacio más pequeño. Suelen utilizarse para un funcionamiento continuo en aplicaciones comerciales e industriales y pueden ser fijos o portátiles. Su aplicación puede ser desde 3 CV (2,24 kW) hasta más de 500 CV (375 kW) y desde baja presión hasta muy alta presión (>1200 psi u 8,3 MPa). Son habituales en los equipos de reparación de carreteras que accionan herramientas neumáticas. Este tipo también se utiliza para muchos sobrealimentadores de motores de automóviles porque se adapta fácilmente a la capacidad de inducción de un motor de pistón.

Compresores Scroll

Un compresor scroll, también conocido como bomba scroll y bomba de vacío scroll, utiliza dos paletas intercaladas en forma de espiral para bombear o comprimir fluidos como líquidos y gases. La geometría de los álabes puede ser involuta, de espiral arquimédica o de curvas híbridas. Funcionan de forma más suave, silenciosa y fiable que otros tipos de compresores.

A menudo, una de las espirales está fija, mientras que la otra orbita excéntricamente sin girar, con lo que atrapa y bombea o comprime bolsas de fluido entre las espirales.

Compresores de membrana

Un compresor de membrana (también conocido como compresor de membrana) es una variante del compresor alternativo convencional. La compresión del gas se produce por el movimiento de una membrana flexible, en lugar de un elemento de admisión. El movimiento de ida y vuelta de la membrana es impulsado por una varilla y un mecanismo de cigüeñal. Sólo la membrana y la caja del compresor entran en contacto con el gas que se comprime.

Los compresores de membrana se utilizan para el hidrógeno y el gas natural comprimido (GNC), así como en otras muchas aplicaciones.

Miscelánea

Los compresores de aire vendidos y utilizados por el público en general suelen estar acoplados sobre un depósito para contener el aire presurizado. Existen compresores lubricados con aceite y sin aceite. Los compresores sin aceite son deseables porque, sin un separador adecuadamente diseñado, el aceite puede entrar en la corriente de aire. Para algunos propósitos, por ejemplo como compresor de aire para buceo, incluso un poco de aceite en la corriente de aire puede ser inaceptable.

La ley de Charles dice que "cuando un gas se comprime, la temperatura aumenta". Hay tres posibles relaciones entre la temperatura y la presión en un volumen de gas que se comprime:

• Isotérmico: el gas permanece a temperatura constante durante todo el proceso. En este ciclo, la energía interna se elimina del sistema en forma de calor al mismo ritmo que se añade por el trabajo mecánico de compresión. La compresión o expansión isotérmica se ve favorecida por una gran superficie de intercambio de calor, un pequeño volumen de gas o una escala de tiempo larga (es decir, un nivel de potencia pequeño). En los dispositivos prácticos, la compresión isotérmica no suele ser posible. Por ejemplo, incluso una bomba de neumático de bicicleta se calienta durante su uso.
• Adiabático - En este proceso no hay transferencia de calor hacia o desde el sistema, y todo el trabajo suministrado se añade a la energía interna del gas, dando lugar a aumentos de temperatura y presión. El aumento de temperatura teórico es T ₂= T ₁-R_c^((k-1)/k)) , con T₁ y T₂ en grados Rankine o kelvins, y k = relación de calores específicos (aproximadamente 1,4 para el aire). El aumento de la relación entre el aire y la temperatura hace que la compresión no siga una simple relación entre presión y volumen. Esto es menos eficiente, pero rápido. La compresión o expansión adiabática se ve favorecida por un buen aislamiento, un gran volumen de gas o una escala de tiempo corta (es decir, un nivel de potencia elevado). En la práctica, siempre habrá una cierta cantidad de flujo de calor, ya que para hacer un sistema adiabático perfecto se necesitaría un aislamiento térmico perfecto de todas las partes de una máquina.
• Politrópico - Supone que el calor puede entrar o salir del sistema, y que el trabajo del eje de entrada puede aparecer tanto como un aumento de la presión (normalmente trabajo útil) como un aumento de la temperatura por encima de la adiabática (normalmente pérdidas debidas a la eficiencia del ciclo). La eficiencia del ciclo es entonces la relación entre el aumento de temperatura al 100% teórico (adiabático) y el real (politrópico).

Dado que la compresión genera calor, el gas comprimido debe ser enfriado entre etapas haciendo que la compresión sea menos adiabática y más isotérmica. Los refrigeradores entre etapas provocan condensación, lo que significa que hay separadores de agua con válvulas de drenaje. El volante del compresor puede accionar un ventilador de refrigeración.

Por ejemplo, en un típico compresor de buceo, el aire se comprime en tres etapas. Si cada etapa tiene una relación de compresión de 7 a 1, el compresor puede producir 343 veces la presión atmosférica (7 x 7 x 7 = 343 atmósferas).

Los compresores de gas se utilizan en diversas aplicaciones en las que se necesitan mayores presiones o menores volúmenes de gas:

• en el transporte por gasoducto de gas natural purificado para trasladar el gas desde el lugar de producción hasta el consumidor.
• en refinerías de petróleo, plantas de procesamiento de gas natural, plantas petroquímicas y químicas, y grandes plantas industriales similares para comprimir gases intermedios y finales.
• en equipos de refrigeración y aire acondicionado para trasladar el calor de un lugar a otro en ciclos de refrigeración: véase Refrigeración por compresión de vapor.
• en sistemas de turbinas de gas para comprimir el aire de combustión de entrada
• en el almacenamiento de gases purificados o manufacturados en un pequeño volumen, cilindros de alta presión para usos médicos, de soldadura y otros.
• en muchos procesos industriales, de fabricación y de construcción para alimentar todo tipo de herramientas neumáticas.
• como medio de transferencia de energía, por ejemplo para accionar equipos neumáticos.
• en aviones presurizados para proporcionar una atmósfera respirable de presión superior a la ambiental.
• en algunos tipos de motores a reacción (como los turborreactores y los turbofanes) para proporcionar el aire necesario para la combustión del combustible del motor. La energía para accionar el compresor de aire de combustión procede de las propias turbinas del reactor.
• en el buceo, la oxigenoterapia hiperbárica y otros dispositivos de soporte vital para almacenar gas respirable en un pequeño volumen, como en las botellas de buceo.
• en los submarinos para almacenar aire para su posterior uso como flotabilidad.
• en turbocompresores y sobrealimentadores para aumentar el rendimiento de los motores de combustión interna mediante la concentración de oxígeno.
• en el transporte ferroviario y pesado por carretera para suministrar aire comprimido para el funcionamiento de los frenos y otros sistemas diversos (puertas, limpiaparabrisas, control del motor/caja de cambios, etc.).
• en usos diversos como el suministro de aire comprimido para el llenado de neumáticos.

• Neumática
• Bomba
• Bomba de aire