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Características principales de compresores. Caudal y potencia

Índice:

Los compresores, al igual que otros dispositivos complejos, tienen toda una serie de características muy variables. Sin embargo, podemos identificar algunas, que son las principales. Precisamente esas características determinan el ámbito de aplicación de los compresores y sirven para realizar los cálculos y seleccionar el equipo de compresión válido para una tarea concreta. Las demás características son secundarias y, en mayoría de los casos, dependen del valor de los parámetros clave. Las características secundarias también influyen en el diseño, el funcionamiento y la eficiencia del compresor, pero mucho menos.

Las características clave determinan las condiciones de operación del compresor, así como las características del flujo de gas comprimido, que se puede obtener con tal compresor. Resulta bastante cómodo, ya que un número limitado de parámetros permite determinar el ámbito de aplicación del compresor o definir los tipos de compresores válidos para la tarea puesta. La selección puede realizarse tanto a base de una característica, como de varias, dependiendo de los requisitos hacia el compresor.

Las características más importantes para el compresor son:

  • la presión operativa;
  • el caudal;
  • la potencia.
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Sin duda ninguna, las demás características, en particular, las dimensiones, el peso, la temperatura de gas en la salida, la ruidosidad, etc. también influyen considerablemente en los cálculos y la selección definitiva del compresor, sin embargo, el caudal y la presión operativa son cruciales. Así, por ejemplo, si es necesario bombear el aire bajo una presión alta y con un caudal relativamente bajo, eso permite de entrada excluir el grupo de compresores de presión baja, en particular, los centrífugos y los de anillo líquido. Este tipo de compresores es incapaz de alcanzar la presión operativa necesaria o puede alcanzarla, pero de manera irrentable, desde el punto de vista económico. Los compresores más oportunos para esta tarea son los de alta presión. Para precisar el tipo de compresor se puede analizar las características secundarias y los resultados de estudio técnico y económico. Los compresores alternativos resultarán más económicos, desde el punto de vista de gastos de capital, los compresores de tornillo darán una pureza del aire superior. Y tanto unos, como otros servirán para la tarea propuesta.

Habitualmente el comprador no dispone, ni puede disponer de toda la información sobre el tipo de compresor, que necesita, y los parámetros de tal compresor. Sabe sólo los requisitos clave, con los que tiene que cumplir el compresor: el caudal y la presión de gas, así como la potencia máxima del compresor. Es decir, sabe la presión operativa, el caudal y la potencia consumida. Esos parámetros básicos pueden complementarse y precisarse en lo que se refiere a la resistencia corrosiva y química de los componentes, el nivel de ruido, la homogeneidad de bombeo, etc. La combinación de esos datos permite seleccionar y fabricar varios tipos de compresores, cada uno de los cuales podrá cumplir con la tarea puesta.  Basándose en las características secundarias, como, por ejemplo, el consumo de energía eléctrica (en el caso de un compresor con un motor eléctrico) o el costo de mantenimiento del compresor, el comprador podrá escoger la variante óptima.

A pesar de que las características enumeradas se consideran las características clave, existen otros parámetros, que frecuentemente influyen de manera nada menos importante en la selección del compresor. La influencia definitiva la puede tener la composición física y química del gas, ya que de la capacidad del compresor de bombear un tipo de medio concreto dependerá tanto su eficiencia, como la posibilidad de su uso, en general. Además, la sustitución del material de los componentes del compresor por otro, químicamente resistente o resistente al desgaste, puede aumentar el precio del compresor varias veces. Hay casos, cuando aparte del caudal y la presión se establecen unos requisitos especiales hacia la calidad del gas comprimido en la salida del compresor: su pureza, la homogeneidad de bombeo, su temperatura. Así, por ejemplo, en la industria alimentaria hay unos requisitos especiales hacia la pureza de los medios y de las sustancias. Por eso resulta impermisible utilizar la lubricación por aceite de los tornillos del compresor de tornillo, si eso posibilita la penetración del material lubricante en el flujo de gas. Las demás características, sin embargo, no influirán de ninguna manera en la decisión final de aplicabilidad. La diferencia entre las características principales y las secundarias consiste en el hecho de que la presión operativa, el caudal y la potencia son importantes siempre, mientras que las características secundarias importan de vez en cuando.

Presión operativa de compresor

Esta característica del compresor es la principal, ya que refleja su función principal, la de comprimir el gas, aumentando su presión. La presión, que genera el compresor, habitualmente se mide en Pascales (Pa), bares o atmósferas. Asimismo se utilizan las unidades de mmhg, kgf/cm2 y PSI. Las unidades de medición más comunes son las Pa y bar, 1 bar equivale a 0,1 MPa. La presión operativa se subdivide en la sobrepresión (Psob) y la presión absoluta (Pab). La diferencia entre los dos valores equivale a la presión atmosférica (Patm), es decir la sobrepresión equivale a la diferencia entre la presión absoluta y la presión atmosférica.

Seleccionando el compresor, hay que tomar en consideración, que la presión generada por el compresor se reduce paulatinamente mientras el flujo se desplaza hacia la herramienta o el aparato alimentado. La caída de la presión se desarrolla tanto a lo largo del gasoducto, como en las llamadas zonas de resistencia locales: válvulas, curvas del gasoducto, etc. La presión operativa del compresor debe cubrir todas las pérdidas hasta el consumidor, para que el gas en la salida responda a todos los requisitos.

En algunos casos son importantes también las condiciones de bombeo del gas comprimido. Así, por ejemplo, los compresores alternativos generan un flujo de gas comprimido pulsante, mientras que los compresores de tornillo comprimen el medio de manera homogénea, sin altibajos. Cuando se trata, por ejemplo, de la pulverización de lacas y pinturas, la homogeneidad de bombeo es una condición importante de funcionamiento correcto. La reducción de las pulsaciones de la presión del compresor se alcanza de distinta manera. Así, los compresores alternativos pueden dotarse de varias cámaras de compresión con ciclos de operación no paralelos, lo que permite nivelar parcialmente el flujo resultante. Pero en la mayoría de los casos se utiliza un tanque receptor, que acumula el gas comprimido, que sale del compresor, y permite prácticamente excluir la pulsación del flujo de gas.

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Por la presión generada los compresores se clasifican como:

  • de vacío (rarefacción superior a 0,05 MPa);
  • de presión baja (de 0,15 a 1,2 MPa);
  • de presión media (de 1,2 a 10 MPa);
  • de presión alta (de 10 a 100 MPa);
  • de presión extra alta (más de 100 MPa).

Caudal de compresor

El caudal del compresor es el volumen del gas que se comprime dentro de un período de tiempo determinado. Habitualmente se mide en m3/min, l/min, m3/h, etc. El caudal del compresor puede corresponder al lado de aspiración o al lado de compresión. No son iguales, ya que en el curso de compresión el gas pierde en volumen. Habitualmente, el caudal en la entrada se calcula bajo unas condiciones estándar, es decir, bajo la presión atmosférica y la temperatura de 20ºC. Las unidades y el método de cálculo del caudal del compresor deben ser cómodos y responder a su ámbito de aplicación. La conversión del caudal de gas de las condiciones de la entrada a las condiciones de la salida se realiza con aplicación de fórmulas especiales. Puede resultar necesario también, si el gas tiene una temperatura distinta de la estándar.

Por su caudal los compresores se clasifican en:

  • Compresores de caudal alto (más de 100 m3/min);
  • Compresores de caudal medio (de 10 a 100 m3/min);
  • Compresores de caudal bajo (hasta 10 m3/min).

Caudal de compresor alternativo

El caudal de los compresores depende, sobre todo, de sus geometría y tipo. El ejemplo más simple e ilustrativo en este caso es el compresor alternativo, ya que las dimensiones de su cámara de compresión influyen directamente en su caudal. Dicho caudal es el volumen de la cámara de compresión multiplicado por el número de ciclos de recorrido de pistón dentro de un período de tiempo determinado o, si nos basamos en los parámetros geométricos de los elementos del pistón, la superficie de la sección transversal del cilindro (F) multiplicada por el recorrido del pistón (S) y la frecuencia de rotación del eje (n). Sin embargo, es posible sólo en el caso ideal. En realidad, debido al diseño de las válvulas, del cilindro y del pistón, no todo el gas se expulsa de la cámara de compresión. Una pequeña parte del gas se queda en el cilindro. El espacio ocupado por este gas se considera un espacio improductivo. Eso se hace a propósito, para que el pistón no se golpee contra el extremo de la cámara y el compresor no se rompa rápidamente.

Si el volumen limitado por el recorrido del pistón equivale a Vp, el volumen improductivo Vi equivaldrá a V-Vp, donde el V es el volumen de la cámara de compresión. Para reflejar el volumen improductivo se utiliza el factor ε = (V-Vp)/Vp. Es decir el volumen improductivo puede ser calculado según la fórmula Vi = ε∙Vp.

El volumen improductivo del gas influye también en el proceso de succión de la nueva porción de gas: este proceso no empieza hasta que el gas remanente no se ensancha hasta un volumen determinado. En este tiempo el pistón recorre una distancia determinada, eso significa que la succión será incompleta en comparación con el caso ideal. Para reflejar este fenómeno utilizan el parámetro de rendimiento volumétrico, que se calcula según la fórmula λ0 = Vrs/Vp, donde Vrs es el volumen de gas realmente succionado. Dicho factor se calcula según la fórmula:

λ0 = 1 - ε∙((p2/p1)1/m - 1)

donde:
λ0 – es el rendimiento volumétrico;
ε – es el factor de volumen improductivo;
p1 – es la presión en la entrada en Pа;
p2 – es la presión en la salida en Pa;
m – es el indicador politrópico.

De ahí el caudal del compresor alternativo de acción sencilla se calcula según la fórmula:

Vp = λ0∙F∙S∙n

En el caso de un pistón de acción doble, no se puede calcular el caudal simplemente multiplicando el caudal de una cámara de compresión por dos. Requiere procesamiento, ya que una de las cámaras de compresión estará parcialmente ocupada por la varilla del pistón, por eso su caudal será inferior, que en el caso de una cámara sin pistón. La formula precisada es la siguiente:

Vp2 = λ0∙(2∙F - f)∙S∙n

donde:
Vp2 – es el caudal de bomba de pistón de acción doble;
f – es la superficie de la sección transversal de la varilla.

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Caudal de compresor de tornillo

El caudal volumétrico de un compresor de este tipo es la suma del volumen de las cámaras limitadas por los tornillos y la carcasa, que llega a la salida en un período de tiempo determinado. En un caso ideal, cuando no hay ningún tipo de pérdidas ni fugas, el caudal teórico del compresor de tornillo (de dos tornillos) se calcula según la fórmula siguiente.

Qt = l∙m1∙n1∙f1 + l∙m2∙n2∙f2

donde:
Qt – es el caudal teórico del compresor de tornillo en m3/s;
l – es la longitud del tornillo en m;
m1 – es el número de revoluciones del tornillo propulsor;
n1 – es la frecuencia de rotación del tornillo propulsor en s-1;
f1 – es la superficie del hueco del tornillo propulsor en m2;
m2 – es el número de revoluciones del tornillo propulsado;
n2 – es la frecuencia de rotación del tornillo propulsado en s-1;
f2 – es la superficie del hueco del tornillo propulsado en m2.

Tomado en consideración el hecho de que, habitualmente, m1∙n1 = m2∙n2 = m∙n, la fórmula del caudal teórico del compresor de tornillo puede ser vista como:

Qt = l∙m∙n∙(f1+f2)

El caudal real resulta inferior al caudal teórico, lo que es lógico. Se debe a distintos flujos dentro del compresor y a las fugas del gas al medio ambiente a través de los sellos. Matemáticamente se refleja por el factor de bombeo, por eso el caudal real equivale a:

Qr = Qt∙ηb - Qf

Qr – es el caudal real;
Qf – son las fugas por sellos;
ηb – es el factor de bombeo.

Caudal de compresor centrífugo

El bombeo del medio dentro de un compresor centrífugo se desarrolla de la misma manera que dentro de una bomba centrífuga, con la única diferencia de que el gas comprimido pierde en volumen, ganando en densidad. El caudal de los compresores de este tipo habitualmente se mide en la entrada en el dispositivo bajo unas condiciones normales, lo que es cómodo para su uso. El valor inicial de este parámetro, así como el valor de la presión de salida, habitualmente, se fijan antes de realizar los cálculos de las dimensiones geométricas de los elementos funcionales de la rueda. La fórmula, que relaciona el caudal de un compresor centrífugo y las dimensiones de la sección de entrada de la rueda, es:

Q = (π/4)·ve·(d²2-d²1)

donde:
Q – es el caudal del compresor centrífugo en m³/s;
ve – es la velocidad del flujo de gas en la entrada en la rueda en m/s;
d1 – es el diámetro externo del cubo de la rueda en m;
d2 – es el diámetro mínimo del disco superior en m;

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Potencia de compresor

Según la definición estándar, la potencia es el volumen de trabajo, que se realiza en un período de tiempo determinado. En el caso de un compresor, es el producto de multiplicación de su caudal de gas por el trabajo de su compresión. Esa potencia lleva el nombre de la potencia teórica y se calcula según la fórmula:

Nt = (Q∙ρ∙A)/1000

donde:
Nt – es la potencia teórica en kW;
Q – es el caudal en m3/min;
ρ – es la densidad de gas en kg/m3;
A – es el trabajo teórico de compresión de gas en julios por kilo.

Sin embargo, la potencia teórica no equivale a la potencia, que necesita el compresor, ni a la potencia, que tiene que generar el motor conectado con el compresor. Se debe a las pérdidas de la potencia, condicionadas por varios factores de rendimiento. La compresión, que se desarrolla dentro del compresor, tiene su rendimiento (que depende del tipo de proceso). Es más, una parte de la potencia del compresor se pierde en el curso de su transmisión mecánica.

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Potencia de compresor alternativo

El cálculo de la potencia de los compresores alternativos, capaces de generar una presión de 10 MPa, como máximo, puede realizarse con el uso de las fórmulas de gas ideal, que permiten alcanzar una precisión de cálculos alta. En el caso de los compresores de presión máxima elevada (superior a 10 MPa), en los cálculos influye el hecho de que el gas bombeado no es ideal. La diferencia clave entre el gas ideal y un gas no ideal (real) es que en el caso de un gas ideal sus moléculas no interaccionan entre sí, mientras que en un gas real sí interaccionan y bajo presiones altas pueden influir considerablemente en el comportamiento del gas. La fórmula de la potencia teórica, que toma en consideración esos factores es:

Nt = (Q∙ρ∙(i2-i1)) / 1000

donde:
Nt – es la potencia teórica en kW;
Q – es el caudal del compresor en m3/s;
ρ – es la densidad del gas en kg/m3;
i1 – es la entalpía del gas antes de su compresión en julios por kilo;
i2 – es la entalpía del gas después de su compresión en julios por kilo.

Esta fórmula sirve sólo para los compresores de una etapa. Si la compresión se desarrolla en varias etapas, la diferencia entre las entalpías (i2-i1) se sustituye por la suma de las diferencias entre las entalpías en cada etapa. Si el trabajo de compresión realizado en cada etapa es igual, la fórmula se convierte en la siguiente:

Nt = (Q∙ρ∙n∙(i2-i1)) / 1000

donde:
n – es el número de etapas;
i1, i2 – son las entalpías inicial y final de la primera etapa en julios por kilo.

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La potencia de la primera etapa del compresor N1 = (Q∙ρ∙n∙(i2-i1))/1000, la potencia de la segunda etapa N2 = (Q∙ρ∙n∙(i3-i2))/1000, la potencia de la tercera etapa N3 = (Q∙ρ∙n∙(i4-i3))/1000. Asumiremos, que el cambio de la entalpía en cada etapa es igual, es decir (i2-i1) = (i3-i2) = (i4-i3). Si el total de las etapas n equivale a 3, la fórmula resultante será:

Ntot = N1 + N2 + N3 = (Q∙ρ∙n∙(i2-i1))/1000 + (Q∙ρ∙n∙(i3-i2))/1000 + (Q∙ρ∙n∙(i4-i3))/1000 = 3∙(Q∙ρ∙(i2-i1))/1000

Potencia de compresor de tornillo

Mientras el gas pasa por el compresor de tornillo, se desarrolla una pérdida de potencia, condicionada por varios factores. Ya que la forma y el tamaño de los tornillos fabricados no son ideales, el gas constantemente vuelve de una cavidad a otra en dirección de la zona de compresión a la zona de succión, lo que es la causa de una parte de pérdidas. Asimismo la energía del gas se gasta en la fricción contra los tornillos y la carcasa, golpes, etc. A raíz de ello, la potencia que se consume para comprimir el gas dentro del aparato supera a la teórica, necesaria para comprimir el mismo volumen del mismo gas en condiciones ideales. Esta potencia lleva el nombre de potencia indicada y se calcula según la fórmula:

Ni = (k∙Q)/1000 ∙ [ps∙(εm-1-m)/(1-m) + pc∙(1/ε)]

donde:
Ni – es la potencia del compresor de tornillo (indicada) en kW;
k – es el factor de ajuste (de 1,05 a 1,18, dependiendo del tamaño del dispositivo);
Q – es el caudal bajo las condiciones de entrada en m3/s;
ps – es la presión de succión en Pa;
pc – es la presión de compresión en Pa;
ε – es la relación de compresión (geométrica);
m – es el indicador politrópico.

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En el resto el cálculo de la potencia total de un equipo de compresión compuesto por un compresor, un propulsor y una transmisión se realiza de la misma manera que en el caso de los demás tipos de compresores. La potencia del compresor supera a la indicada por un valor que corresponde a las pérdidas mecánicas, que se desarrollan en el curso de su funcionamiento. Parte de la potencia se pierde en la transmisión y en el propio motor. Para tomar esas pérdidas en consideración se utilizan los factores de rendimiento correspondientes.

Potencia de compresor centrífugo

Pasando por un compresor centrífugo, el flujo de gas pierde parte de su energía por pérdidas hidráulicas. El volumen de dichas pérdidas está reflejado por el factor de rendimiento hidráulico (ηh), que relaciona la potencia teórica (Nt), necesaria para la compresión de gas en condiciones ideales, y la potencia indicada (Ni):

Ni = Nth

Asimismo, debido a las inevitables fugas del gas del espacio funcional el consumo real de gas es distinto del calculado, lo que causa pérdidas de potencia adicionales, caracterizadas por el rendimiento volumétrico (ηv). La potencia útil (Nu), que hay que hacer llegar a la rueda para la compresión de gas, equivaldrá a:

Nu = Niv

La potencia útil también puede ser calculada a base de las mediciones de los parámetros reales del compresor según la fórmula:

Nu = Vr∙Hr∙p

donde:
Nu – es la potencia útil en W;
Vr – es el caudal real en m3/s;
Hr – es la presión real en m;
p – es el valor medio de presión antes y después de la compresión, habitualmente visto como una media aritmética en Pa.

La potencia total del compresor que hay que pasar al eje lleva el nombre de la potencia en el eje y puede ser calculada a base de la potencia indicada, tomadas en consideración las pérdidas mecánicas en el compresor:

Ne = Nim

donde:
Ne – es la potencia en el eje del compresor en W;
ηm – es el rendimiento mecánico.

Tomadas en consideración todas las pérdidas, el rendimiento total (ηt) de un compresor centrífugo equivale a:

ηt = ηh∙ηv∙ηm

Compresores y sopladores

Cálculo y selección de equipos básicos

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