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Descripción general de cálculo y selección de equipos de compresión

Índice:

A pesar de que los equipos de compresión alternativos existen ya más de 200 años, su uso amplio empezó solo hace cien años. Se utilizan tanto en el ámbito doméstico, en particular, para alimentar con el aire comprimido las herramientas neumáticas, como en el profesional, para alimentar con el gas comprimido líneas industriales, equipos refrigerantes de alta potencia, etc. Sabiendo las características técnicas necesarias, se puede llegar a unas conclusiones previas en relación al tipo de equipo de compresión necesario para realizar tal o cual tarea práctica. Dichas características son de suma importancia para el diseño y los cálculos de compresores y son útiles a la hora de selección de herramientas, equipos neumáticos y fuente de energía correspondiente.

Los compresores se utilizan ampliamente a nivel industrial para transportar todo tipo de medios y, básicamente, son unos dispositivos mecánicos destinados a comprimir un medio gaseoso. Ya que existen distintos tipos de compresores, la selección y los cálculos correctos permiten escoger unos, cuyas características respondan a los requisitos de la rama de industria correspondiente.

Habitualmente la compresión del medio se realiza bien por paletas rotativas, bien dentro de cilindros por pistones. Los compresores rotativos se utilizan para trabajar con flujos de caudal importante y presión de compresión baja. Los compresores alternativos se utilizan para crear una presión alta. Existen muchos otros parámetros funcionales, que hay que tomar en consideración, incluidas las normas y los estándares aplicables. De ahí la selección de un compresor es un proceso complejo, que requiere tomar en consideración múltiples factores.

Para escoger correctamente un compresor, hay que tener claro su uso y disponer de los parámetros necesarios para realizar los cálculos: la presión, la temperatura, el caudal, etc. Todo ello permite determinar el tipo de compresor necesario.

Unos de los parámetros clave para la selección de compresores son los datos sobre el gas, el caudal, la presión y la temperatura en la zona de succión, así como la presión en la zona de compresión.

La selección de los compresores se basa en la termodinámica, la teoría básica de compresión de gas, así como en la comparación de varios tipos de compresores, la teoría de cálculo y selección y las fórmulas de cálculo de compresores. Existen varias ecuaciones, que se utilizan para realizar los cálculos de un compresor. Vamos a analizar, como se realizan los cálculos teóricos.

Selección de equipos de compresión. Tipo de compresor

Veremos los pasos principales de selección de equipos de compresión.

El compresor es un dispositivo, que se utiliza para aumentar la presión del medio comprimido vía reducción del volumen específico del medio, mientras éste pasa por el compresor. El nivel de presión en la entrada y la salida varían desde un vacío profundo hasta una sobrepresión, dependiendo de las necesidades del proceso tecnológico. La presión es una de las condiciones clave, de la que dependen tanto el tipo, como la configuración de compresor. Habitualmente, a los compresores los clasifican en dos grupos grandes: dinámicos y volumétricos. El mismo ámbito de aplicación puede permitir el uso de distintos tipos de compresores, lo que depende de las peculiaridades de su diseño.

Propiedades del medio procesado. Compresión de gases

Los compresores son capaces de comprimir distintos tipos de gases. Para que el suministrador de los equipos de compresión pueda realizar los cálculos de un compresor correctamente, hay que informarle sobre las propiedades termodinámicas de gas o mezcla de gas a comprimir. Para realizar los cálculos del compresor hay que disponer de datos sobre la composición exacta de gas y saber su fórmula química. En las especificaciones del compresor hay que indicar los datos de análisis del gas con el nombre de cada uno de sus componentes, su peso molecular, su punto de ebullición, etc. Esos datos son de suma importancia, ya que resultan determinantes para muchos parámetros del compresor. La relación entre los parámetros principales del gas (su presión, temperatura y volumen) lleva el nombre de la ecuación de estado de gas.

La ecuación de estado de gas más simple es la ecuación de estado del gas ideal.

P · V = R · T

donde:
P — es la presión,
V — es el volumen molar,
R — es la constante de gas universal,
T — es la temperatura.

Esta ecuación se aplica sólo al gas, cuya temperatura está muy por encima de la temperatura crítica, o cuya presión está muy por debajo de la presión crítica. El aire bajo las condiciones atmosféricas sigue esta ley.

El gas real se diferencia del gas ideal por el factor de compresibilidad (Z). El concepto de la compresibilidad se utiliza en la termodinámica para explicar la desviación de las propiedades termodinámicas de los gases reales de las propiedades de los gases ideales.

P · V = Z · R · T

El valor de la Z corresponde a la dependencia funcional entre la composición de gas y su presión y temperatura.

Proceso de compresión

La relación de compresión (R) es la relación entre la presión en la zona de compresión y la presión en la zona de succión:

R = Pd/Ps (donde los valores de Pd y Ps son absolutos).
Los compresores de una etapa tienen solo un valor de la R. Los compresores de dos etapas tienen 3 valores de la R.

R = la relación de compresión del compresor
R1 = la relación de compresión de la primera etapa
R2 = la relación de compresión de la segunda etapa.

R = Pd/Ps

R1 = Pi/P

R2 = Pd/Pi

Ps – es la presión de succión
Pd – es la presión de compresión
Pi –es la presión entre etapas

En el curso de la compresión de gas dentro del compresor el espacio, en el que se encuentran las moléculas, se disminuye, la distancia entre las moléculas se acorta. Como resultado de aumento del número de moléculas de gas dentro de dicho espacio, la masa y la densidad de gas se aumentan. El aumento de la densidad conlleva el aumento de la presión.

En la figura de abajo la línea vertical del punto 1 al punto 2’ corresponde a un proceso de compresión isoentrópico, que requiere un trabajo mínimo de compresión para llegar de Р1 a Р2. De hecho, la compresión sigue la trayectoria desde el punto 1 hacia arriba y a la derecha en dirección a la creciente entropía y se termina en el punto 2 en la isóbara para P2.

equipos de compresión

El trabajo, que se realiza dentro del compresor, se utiliza para aumentar la presión y la temperatura del gas y evacuar el calor. En la mayoría de los casos, la tarea consiste en aumentar la presión de gas, minimizando los gastos de la energía. Cuando la compresión es adiabática, no hay transferencia de calor entre el compresor y el medio ambiente. Eso requiere menos trabajo en el caso del trabajo isoentrópico. En este caso, se supone que dentro del compresor no hay pérdidas, lo que en realidad es inalcanzable, pero puede ser visto como una base del coeficiente indicador del rendimiento de compresión. El rendimiento isoentrópico del compresor es el trabajo de compresión de gas en un proceso isoentrópico, dividido por el trabajo real de compresión de gas. El rendimiento de compresor indicado en las especificaciones técnicas frecuentemente es el rendimiento isoentrópico.

Sin embargo, sí es posible fabricar un compresor de rendimiento isoentrópico superior a un 100%. El trabajo realizado en el marco de un proceso isotérmico reversible es inferior al trabajo realizado en el marco de un proceso isoentrópico. En un proceso isotérmico reversible la temperatura de gas en la zona de succión se mantiene vía transferencia reversible de calor en el curso de compresión. En el proceso de este tipo no debe haber pérdidas. Sin embargo, la potencia consumida casi siempre supera a la potencia isoentrópica, por eso el rendimiento isoentrópico se utiliza, sobre todo, para la clasificación de los compresores.

Existen dos tipos básicos de compresores: los volumétricos y los dinámicos. Se diferencian entre sí por el concepto de compresión del medio. En los compresores volumétricos el gas se comprime vía retención de volúmenes importantes de gas en un espacio cerrado con la reducción posterior de su volumen. La compresión consiste en ingresar en la cámara de compresión del aparato un volumen de gas y reducir el volumen interno de la cámara.

El otro tipo de compresores son los compresores dinámicos, en los que el gas se comprime bajo el efecto mecánico de paletas o ruedas rotativas, que le transmiten al gas velocidad y presión. Cuanto mayor son el diámetro de la rueda, el peso molecular del gas y la velocidad de rotación, mayor es la presión. Habitualmente, los compresores volumétricos se utilizan para volúmenes de gas reducidos y factores de presión altos. Los compresores dinámicos se utilizan para volúmenes de gas altos y factores de presión menores.

La selección de un compresor empieza por

1. Calcular la relación de compresión.
2. Determinar el número de etapas del compresor.
3. Calcular la temperatura en la zona de compresión.
4. Determinar la capacidad volumétrica.
5. Determinar el volumen operativo necesario.
6. Seleccionar el modelo del compresor.
7. Determinar el torque mínimo del compresor.
8. Determinar el torque real del compresor.
9. Determinar el volumen operativo real.
10. Determinar la potencia necesaria.
11. Escoger las opciones necesarias.
12. Seleccionar el compresor correspondiente.

Características técnicas de equipos de compresión

Las características técnicas clave de los equipos de compresión son:

  • La presión de aire en la salida en atmósferas o bares. Todos los compresores domésticos populares generan una presión de 6 a 8 bares, los compresores industriales son capaces de generar una presión de aire equivalente a 25 bares. El valor de presión correspondiente a tal o cual modelo de compresor indica, que es capaz de generar una presión interna determinada y bombear la masa de aire en un espacio aislado. El valor de presión generada depende de la clase y de la potencia del equipo de compresión. En el caso de los compresores domésticos, no hay la necesidad de crear una presión extra alta, basta con un compresor pequeño de una presión operativa hasta 10 bares. Sin embargo, esa presión puede resultar insuficiente a nivel industrial, por eso aquí se utilizan equipos de compresión más potentes. La presión operativa del compresor es el valor medio entre la presión máxima, alcanzada la cual el proceso de compresión se para, y la presión mínima en el sistema, alcanzada la cual el compresor vuelve a ponerse en marcha. Habitualmente, la diferencia entre la presión de parada y la presión de puesta en marcha equivale a 2 bares. Según la presión generada todos los compresores se clasifican en compresores de presión baja, media o alta. No todos los compresores tienen la capacidad suficiente para comprimir el aire hasta unos valores de presión altos. Así, por ejemplo, solo los compresores alternativos potentes son capaces de alcanzar unos valores de presión equivalentes a 30 atmósferas. Los compresores de tornillo son incapaces de hacerlo;
    La presión de entrada/salida. En las especificaciones del compresor se indica el valor mínimo de la presión del flujo de gas en la entrada. Es necesario para garantizar el rendimiento del compresor.
    La presión puede ser absoluta o excesiva, por eso, indicando la presión hay que poner la nota correspondiente. Asimismo hay que indicar las unidades de medición de presión.
  • La temperatura en la entrada. En la temperatura en la entrada influyen el caudal volumétrico, los requisitos hacia la presión y la potencia consumida. Por eso es necesario indicar también la temperatura máxima en la entrada.
  • La temperatura en la zona de compresión. La temperatura en la zona de compresión (Td) depende de la temperatura en la entrada, el factor de compresión, el calor específico del gas y el rendimiento de compresión. Esa temperatura es importante para el diseño mecánico del compresor, la selección de la etapa de compresión, así como el cálculo de enfriador y ductos.
  • El caudal de succión o compresión de aire (el volumen de aire succionado o comprimido en la salida). Habitualmente los fabricantes de los equipos de compresión indican en las especificaciones técnicas sólo el primer valor, ya que, como consecuencia de las pérdidas de aire, el compresor siempre pierde caudal en el curso de la compresión en comparación con el caudal en la entrada. El caudal es el volumen de aire que el compresor, independientemente de la presión generada, es capaz de bombear en un período de tiempo determinado. Se mide en m3/h o l/min. Distintos tipos de compresores tienen distinto caudal, que determina el uso concreto de los equipos de compresión. El volumen de aire en la entrada antes de la compresión, consumido por el compresor en un período de tiempo determinado, también se considera caudal. La experiencia práctica muestra, que entre esos dos caudales siempre hay una diferencia, y que hay que medir el caudal en la salida del compresor. El compresor debe disponer de una reserva de caudal equivalente a un 30% de la necesidad real, aproximadamente;
  • La potencia del motor, con el que se dota el compresor, medida en kW. Puede tratarse tanto de motores diésel, como de turbinas o propulsores eléctricos. La potencia del motor es una de las características determinantes, ya que el motor le ayuda al compresor a comprimir el aire. Cuanto más alta es la potencia, mayor es el consumo de energía. Si los cálculos de la potencia del motor son erróneos, el compresor gastará la energía en vano. Habitualmente los motores potentes se instalan en compresores potentes, que necesitan precisamente este tipo de propulsor;
  • Peso y dimensiones del compresor. Esas características varían mucho, desde dimensiones bastante pequeñas, típicas para los aparatos de taller compactos, que son fáciles de transportar hasta el lugar de las obras, hasta bastante grandes, que requieren un espacio independiente para su ubicación. A las empresas grandes, que utilizan plantas potentes de alto rendimiento y dimensiones grandes, no les importan ni su peso, ni sus dimensiones, ya que en su caso son equipos fijos, que se colocan, como ya hemos dicho, en una sala de máquinas independiente. Las dimensiones y el peso del compresor siempre están estrechamente relacionados con su capacidad.
    Los compresores domésticos, por ejemplo, son bastante compactos. La pieza más grande en su caso son los receptores, que tienen una capacidad de 50, 100, 200 litros o más. Una alternativa son los compresores de tornillo, que no necesitan un receptor para bombear el aire de manera homogénea. La ausencia del receptor permite disminuir considerablemente las dimensiones y el peso de la planta compresora, contribuyendo a su movilidad;
  • El volumen del receptor también es una característica importante, ya que le permite al compresor de aire a funcionar marchando en vacío. Los receptores son unos tanques especiales destinados a acumular el aire comprimido. El volumen del receptor permite prolongar el tiempo de operación de la maquinaria neumática en régimen autónomo, cuando el equipo de compresión se desconecta. Eso permite ahorrar la energía. Otra ventaja del receptor es la posibilidad de comprimir el aire, alcanzando unos parámetros de presión predeterminados.
  • Corrosividad del gas bombeado. Hay que determinar la composición del gas corrosivo para todas las condiciones de operación. Es importante, ya que en el curso de compresión el gas corrosivo puede ocasionar grietas, que se forman como resultado de corrosión bajo tensión en material altamente resistente.
  • Líquido en el flujo de gas. Hay que evitar la presencia de líquidos en el gas, ya que pueden dañar el compresor. Si el medio a comprimir contiene líquidos, hay que dotarle al compresor de un separador, así como de un sistema calentamiento eléctrico y aislamiento de la abertura de entrada del compresor, si la temperatura del medio ambiente es inferior al punto de rocío del gas en la entrada en el compresor, o cuando se desarrolla la compresión de los componentes de hidrocarburos, que son más pesados que el etano.

En algunas ramas de la industria, en particular, en la industria alimentaria, es impermisible la presencia de impurezas extrañas en el aire comprimido. Por eso, en su caso, en la selección de equipo de compresión se guían no por su potencia, sino por su diseño. Los parámetros técnicos de los compresores, en este caso, deben cumplir con los requisitos hacia la pureza del aire comprimido. Su compresión debe desarrollarse dentro de un aparato libre de aceite y superficies lubricadas por aceite.

Rasgos característicos de equipos de compresión

Los rasgos característicos de los compresores son:

  1. El tipo de propulsor. Pueden llevar tanto un motor de combustión interna como un motor eléctrico;
  2. El número de etapas utilizadas para la compresión de aire. Esa característica es importante en el caso de los compresores alternativos, ya que múltiples etapas permiten realizar la compresión de gas no en uno, sino en varios cilindros en serie;
  3. El sistema de enfriamiento (por aceite, por aire, por agua).
  4. La movilidad. Los compresores pueden instalarse de manera fija, sobre unas cimentaciones especiales, o sobre un remolque, lo que facilita su transportación;
  5. El diseño interno. Los componentes del equipo de compresión pueden estar instalados tanto sobre un bastidor, como sobre un receptor;
  6. La posición del receptor: vertical u horizontal.

Asimismo hay que tomar en consideración el tipo de alimentación por la red, ya que no todos los talleres de coches con servicio de montaje de neumáticos disponen de una fuente de corriente de 380V de tensión. En algunos casos hasta la alimentación con 220V puede resultar bastante inestable.

El tipo de compresor a utilizar depende de los cálculos preliminares de las características enumeradas. Antes de realizar dichos cálculos, hay que tomar en consideración ciertos aspectos. La masa del aire bombeado por el compresor en un período de tiempo determinado es una constante, que depende directamente de las peculiaridades de diseño del compresor. Sin embargo, se considera, que el rendimiento se expresa en volumen y no en masa. Este hecho frecuentemente confunde los cálculos y es razón de errores.

Se debe al hecho de que el aire, al igual que el resto de los gases, es compresible. Por eso la misma masa de aire puede ocupar distinto espacio, lo que depende de la presión y la temperatura. La relación exacta entre esos valores se explica por una relación potencial compleja o la ecuación politrópica. Cuando el equipo de compresión llena el receptor, la presión dentro del receptor va creciendo y el rendimiento en volumen va bajando. Resulta, que el caudal volumétrico del compresor es un valor alterno. ¿Qué valor, entonces, se indica en las características técnicas de los compresores?

Según el estándar estatal ruso, el caudal del compresor es el volumen del aire en la salida, realizada su conversión a las condiciones físicas de la succión. Habitualmente, las condiciones físicas en la entrada en el compresor son típicas para unas condiciones de operación normales: una temperatura de 20ºC y una presión de 1 bar. El estándar estatal ruso permite que las características reales del equipo de compresión se desvíen en un ±5% de los valores indicados en las especificaciones técnicas del compresor. 

Sin embargo, una desviación así requiere realizar una revisión de los cálculos del consumo del aire comprimido, para que corresponda a las características del compresor. Es decir, si el caudal nominal del compresor es de 100 litros por minuto, eso significa, que alcanzada la presión operativa, la herramienta neumática consumirá en un minuto un volumen de aire que bajo las condiciones normales ocupa un volumen equivalente a 100 litros.

Como los fabricantes de compresores extranjeros desconocen los estándares estatales rusos, calculan el caudal de su producción de otra manera, lo que causa errores. En las especificaciones técnicas de sus compresores se indica el caudal calculado (en la zona de succión).

El caudal calculado es el volumen geométrico de aire, que entra en la cámara de compresión en la fase de succión. Después ese volumen se multiplica por el número de fases (ciclos) por una unidad de tiempo. El caudal calculado supera el caudal real del compresor. La diferencia entre el caudal calculado y el caudal real se compensa por el factor de rendimiento (Fr), que depende de la condiciones de succión y del diseño de compresor (pérdidas en las válvulas de succión y de compresión, volumen remanente de gas) que contribuyen al subllenado del cilindro (en el caso de un compresor alternativo). El factor de rendimiento de los compresores industriales equivale a 0,6-0,8.

La diferencia entre el caudal calculado y el caudal real en la entrada y la salida puede ser considerable. Indicando en las especificaciones técnicas el caudal calculado del compresor, hay que realizar su conversión en el caudal en la salida, es decir, reducir el caudal calculado en un 30-40%.

Diseño de compresor

En las especificaciones del compresor hay que indicar obligatoriamente la presión operativa máxima. Esos datos junto con la temperatura máxima admisible se utilizan por los fabricantes de los compresores para calcular la carcasa y los componentes clave del compresor, para que sean capaces de resistir la presión y la temperatura máximas admisibles. En el caso de los compresores centrífugos y axiales, la presión máxima admisible para la carcasa se calcula en ordenador vía suma de la presión máxima en la entrada y la presión diferenciada máxima, que puede generarse dentro del compresor en las condiciones más complicadas. En el caso de los cilindros de los compresores alternativos y las carcasas de los compresores de tornillo, la presión máxima admisible debe superar la presión nominal de compresión en un 10% o 25 psi, siendo el valor a escoger el superior.

La temperatura máxima admisible de los compresores centrífugos y axiales debe ser la temperatura máxima de compresión, que se alcanza en el curso de operación del compresor, con cierto margen. La temperatura máxima admisible de los cilindros de los compresores alternativos y de las carcasas de los compresores de tornillo debe superar la temperatura nominal de compresión.

Bridas de ductos y su diámetro nominal

En las especificaciones hay que indicar las dimensiones de las conexiones de los ductos, el diámetro nominal de las bridas y su tipo para todas las salidas y entradas del compresor. Asimismo en las especificaciones serán indicadas el tipo de sello del eje y de la varilla del émbolo buzo.

Sistema de lubricación y aceites lubricantes

La función directa de todos esos sistemas consiste, en primer lugar, en alimentar de manera ininterrumpida con un líquido refrigerante y lubricante puro los cojinetes y los sellos del compresor, las transmisiones por engranaje y el propulsor. Son unos sistemas importantes para los compresores, por eso la metodología de su cálculo ha de ser reflejada en las especificaciones también.

Materiales

Los materiales utilizados para la fabricación del compresor y, sobre todo, de sus partes que están en contacto con el medio comprimido, dependen de la composición de los gases a comprimir. Así, por ejemplo, en el caso de compresión de H2S puede desarrollarse el agrietamiento de los materiales altamente resistentes bajo el efecto de H2S. En este caso, se recomienda utilizar materiales tratados térmicamente después de su fabricación con una resistencia a la deformación por debajo de 90000 psi.

Etapas de compresión tecnológicas

La relación de compresión (R) es la relación entre la presión en la zona de compresión (P2) y la presión en la zona de succión (P1), P2/P1. Cuando es necesario alcanzar una presión alta, se utilizan los compresores multietapas. En algunos casos entre las etapas de compresión se instalan dispositivos enfriadores para evacuar el calor, que se genera en el proceso de compresión. Las etapas de compresión adicionales se necesitan también para:

  • reducir la temperatura, terminada la compresión en cada etapa, aplicando un enfriamiento intermedio hasta alcanzar un nivel aceptable para garantizar el funcionamiento del compresor de manera debida.
  • reducir la temperatura en la entrada en la etapa de compresión, para reducir la presión necesaria y alcanzar el factor de compresión necesario.
  • cumplir con las limitaciones, en lo que se refiere a la presión diferencial y el factor de compresión de distintos tipos de compresores, en particular, con las limitaciones de carga axial, en el caso de los compresores centrífugos, la tensión máxima de la varilla del pistón en el caso de los compresores alternativos, la carga axial en los compresores de tornillo.
  • reducir el consumo de la energía, que se gasta en la compresión por el propulsor del compresor. Para este fin se utilizan enfriadores intermedios entre las etapas, que ayudan a mantener los valores de la temperatura dentro de límites seguros.

Selección de compresor de una o varias etapas

El número de las etapas de compresión depende de la relación de compresión.

Asimismo el número de las etapas depende de la temperatura en la zona de compresión y del régimen de funcionamiento. Véase abajo un ejemplo de determinación del número de etapas de compresión.

valor de R Nº de etapas
1-3 de una etapa
3-5 habitualmente de una etapa, a veces de dos etapas
5-7 habitualmente de dos etapas, a veces de una etapa
7-10 de dos etapas
10-15 Habitualmente de dos etapas, a veces de una etapa
15+ de tres etapas

Comparación de compresor de una etapa y de dos etapas, que se utilizan para la compresión del mismo medio bajo condiciones iguales (mismos caudal, gas y presión):

  de una etapa de dos etapas
temperatura en la zona de compresión. superior inferior
inversión inicial inferior superior
complejidad del sistema en general inferior superior

Como en el caso de muchas otras soluciones de ingeniería, hay que encontrar un balance entre las inversiones originales, los gastos de operación y los gastos en mantenimiento técnico.

1. En primer lugar, es necesario calcular el caudal total de aire consumido Q en litros por minuto.
Para ello hay que sumar el consumo de aire por todos los consumidores. Dicho consumo está indicado en sus especificaciones técnicas. Como resultado, se obtiene el valor Q (en litros por minuto), que es el total de aire consumido por el sistema neumático. En el caso cuando el número de consumidores es alto, ese valor se aproxima al indicador máximo. Es posible reducirlo por el factor de carga, ya que no todos los consumidores del aire estarán conectados simultáneamente. Eso permite corregir los cálculos, reduciendo el consumo total y obteniendo una reserva de aire en el sistema neumático.

2. El siguiente parámetro para calcular es el caudal del compresor A (en litros por minuto).
Muchos errores de cálculos se deben a una determinación incorrecta del valor de A y un entendimiento erróneo del concepto de caudal. Todos los fabricantes de compresores indican en las especificaciones y los catálogos como el caudal el caudal máximo de aire en la entrada en el compresor. Este valor no puede ser visto como el caudal de compresor en la salida, ya que no toma en consideración el rendimiento del compresor y las peculiaridades de su diseño. A raíz de ello los cálculos del caudal del equipo de compresión han de realizarse de la siguiente manera:

A = Q · (β/η)

Donde Q es el caudal total de aire consumido por todos los consumidores del sistema neumático, en general, medido en litros por minuto; β es el factor utilizado por el fabricante para tomar en consideración las peculiaridades de diseño del equipo de compresión; η es el rendimiento del compresor.
Los valores de β y η (como información de referencia) para la operación de compresor en el rango de presiones operativas dentro de un sistema neumático, de 6 a 8 bares, están enumerados abajo.

Diseño de equipo de compresión b h
Equipos de compresión semiprofesionales 1,7 0,55
Equipos de compresión profesionales 1,5 0,65
Equipos de compresión sobrecargados 1,3 0,75
Compresores rotativos 1 1

3. Lo mismo importante para la selección del compresor es el volumen del receptor V (en litros). Los fabricantes de los compresores recomiendan, que el volumen del receptor se encuentre dentro del siguiente rango de A:

V = (1/2 ÷ 1/8)·A

Un receptor correctamente seleccionado y de volumen grande contribuye a la compensación y la nivelación de la presión, haciendo el sistema neumático más flexible ante las cargas.

4. Básicamente, la presión creada por el compresor debe estar por encima de la presión de los consumidores del aire comprimido. Todos los compresores comprimen el aire hasta la presión operativa máxima Рmax y se desconectan. Vuelven a conectarse, cuando la presión cae hasta Рmin. La diferencia entre la presión máxima y la presión mínima del compresor es de 2 bares.

5. Además es necesario determinar el uso del compresor, decidir para que se utilizará.   Asimismo es importante determinar la duración de su funcionamiento ininterrumpido, el volumen máximo necesario de aire comprimido, su presión operativa y las demás características técnicas descritas arriba.

Todas las características enumeradas dependen del tipo de compresor. Calculado el consumo total, se puede sacar unas conclusiones. Cuando se necesita un compresor para las bombas de pintura u otra herramienta neumática de presión operativa reducida, la mejor variante será un compresor alternativo. Cuando se trata de potencias altas y varios consumidores de aire, vale la pena optar por compresores de tornillo o espirales. Asimismo es importante tomar en consideración la distancia, a la que será bombeado el medio comprimido, es decir, el aire comprimido.

6. Las características del compresor, sobre todo su potencia, también están influidas por una serie de factores: la altura sobre el nivel del mar, la temperatura del medio ambiente y la presión atmosférica. Cuanto mayor es la altura sobre el nivel del mar, menores son la temperatura y la presión del aire. Es importante tomarlo en consideración, ya que esas condiciones influyen directamente en el rendimiento del compresor y el caudal nominal del aire comprimido. De ahí, si el compresor se utiliza a una altura alta, su caudal de salida será distinto del indicado en las especificaciones técnicas.

Se sabe, que el aire a la altura se rareface, lo que empeora el enfriamiento del motor eléctrico del compresor de aire y de sus componentes propensos a calentamiento. El motor mantiene sus características nominales hasta una altura de 1000 metros sobre el nivel del mar y una temperatura de 40ºC o menos (véase abajo el comportamiento de distintos motores a distinta altura y temperatura). Algunos compresores se dotan de motores eléctricos. A una altura considerable esos motores pierden considerablemente su potencia. Como resultado, al eje del compresor también llega una potencia reducida.

Tipo de motor: Reducción de potencia en % por cada 1000 metros Reducción de potencia en % por cada 10ºC de crecimiento de la temperatura
Atmosférico 12 3,6
Con sobrealimentación 8 5,4

El algoritmo de selección de compresores por caudal y presión. Esquema de selección de compresor

Véase abajo un esquema de selección de tipo de compresor a base de los datos de partida generales.

Véase en la tabla de abajo las características de los compresores por tipos:

Tipo de compresor Características máximas
Alternativos Q = de 2 a 5 m³/min
РN = de 0,3 a 200 MN/m² (las pruebas en laboratorio muestran valores hasta 7000 MN/m²)
n = de 60 a 1000 rpm
Nm = max 5500 kW
Rotativos Q = de 0,5 a 300 m³/min
РN = de 0,3 a 1,5 MN/m²
n = de 300 a 3000 rpm
Nm = max 1100 kW
Centrífugos Q = de 10 a 2000 m³/min
РN = de 0,2 a 1,2 MN/m²
n = de 1500 a 10000 (max. 30000) rpm
N = 4400 kW max (para los compresores de aviación - 10 000 kW o más)
Axiales Q = de 100 a 20000 m³/min
РN = de 0,2 a 0,6 MN/m²
n = de 2500 a 20000 rpm
N = 4400 kW max (para los compresores de aviación - 70 000 kW o más)

La selección del compresor requiere un trabajo muy escrupuloso: ahorrando el tiempo en los cálculos preliminares se puede cometer múltiples errores de importancia y comprar un equipo de compresión incapaz de satisfacer los requisitos.

Ejemplo de selección de un compresor alternativo

Los compresores alternativos son unos compresores volumétricos. Para seleccionar un compresor de este tipo hay que determinar sus parámetros principales: la presión de compresión, la temperatura de gas en succión, el caudal necesario, el régimen de funcionamiento propuesto y la composición de gas. Asimismo la selección se basa en el rendimiento, el precio y la fiabilidad. Los compresores para distintas aplicaciones pueden tener un funcionamiento parecido. Sin embargo, los compresores con un recorrido de pistón largo suelen ser más lentos que los compresores con recorrido de pistón corto. Asimismo los compresores con un recorrido de pistón corto suelen ser más ligeros y resistir unas cargas menores.

La velocidad del compresor y su recorrido dependen de la potencia consumida. En los ámbitos de aplicación de una potencia inferior se utilizan compresores ligeros rápidos de recorrido corto. Los ámbitos de aplicación de potencia alta requieren compresores de potencia alta, velocidad baja y un recorrido de pistón más largo. Cuando es posible, los compresores se conectan con el propulsor directamente. La velocidad del propulsor también es de importancia.

Después se determina el número de etapas. Un factor importante es la temperatura admisible en la zona de compresión, la relación de compresión de cilindros y el rendimiento. Si la temperatura calculada en la zona de compresión resulta demasiado alta para una etapa, es necesario utilizar más etapas. En el curso de la selección preliminar se puede utilizar la temperatura isoentrópica en la zona de compresión. Sin embargo, si un número determinado de etapas puede causar situaciones críticas, hay que calcular la temperatura en la zona de compresión con mayor precisión. Para el cálculo aproximado se puede considerar, que en todas las etapas se utiliza la misma relación de compresión. En realidad siempre resulta más oportuno tener una relación de compresión más alta en las etapas de presión baja, aliviando un poco las etapas de presión alta, que son más críticas.

Prácticamente en todos los ámbitos de aplicación, que requieren una compresión en múltiples etapas, se utilizan aparatos de enfriamiento intermedio. En este caso, el aumento del número de etapas aumenta el rendimiento del compresor. Se debe al hecho de que, gracias al enfriamiento intermedio, el proceso de compresión prácticamente es isotérmico y requiere una potencia inferior.

Si el medio a comprimir se condensa en el aparato de enfriamiento intermedio, surge la necesidad de separar el líquido y el gas. La masa de gas a comprimir se reduce, lo que también reduce la potencia consumida. Sin embargo, con el aumento del número de etapas, se aumenta el número de válvulas, ductos intermedios y aparatos de enfriamiento, por los que pasa el gas. Si el número de etapas es alto, las pérdidas de presión en válvulas y ductos reducen las ventajas de enfriamiento intermedio y la eficiencia.

El precio del compresor crece con el número de etapas, lo que se debe a la necesidad de aparatos de enfriamiento, válvulas, ductos, cilindros auxiliares.

Determinado el número de cilindros, se realiza la selección de cilindros para cada etapa. Para determinar la abertura del cilindro, hay que saber las condiciones en la entrada, el caudal, la velocidad y el recorrido. Es importante escoger correctamente el valor nominal de presión de cilindro para un trabajo seguro, tomar en consideración las cargas, las pérdidas y la potencia consumida.

Asimismo, seleccionando un compresor alternativo, hay que tomar en consideración la fuerza no equilibrada, que se transmite del compresor a las cimentaciones, las vibraciones, que pueden dañar el cigüeñal, el nivel de ruido, la posición del compresor y la posibilidad de optimizarla, su rendimiento y el precio.

Compresores y sopladores

Cálculo y selección de equipos básicos

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