Compresor

Los compresores alternativos utilizan pistones accionados por un cigüeñal. Pueden ser fijos o portátiles, de una o varias etapas, y accionados por motores eléctricos o de combustión interna. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} Los compresores alternativos pequeños de 5 a 30 caballos de fuerza (hp) se encuentran comúnmente en aplicaciones automotrices y suelen ser para servicio intermitente. Los compresores alternativos más grandes, de más de 1000 hp (750 kW), se encuentran comúnmente en grandes aplicaciones industriales y petroleras. Las presiones de descarga pueden variar desde baja presión hasta muy alta presión (>18000 psi o 124 MPa). En ciertas aplicaciones, como la compresión de aire, se dice que los compresores de doble efecto de varias etapas son los compresores más eficientes disponibles, y suelen ser más grandes y más costosos que las unidades rotativas comparables. ^{[ 4 ]} Otro tipo de compresor alternativo, que se suele emplear en los sistemas de aire acondicionado de cabinas de automóviles , es el compresor de placa oscilante o de placa tambaleante, que utiliza pistones movidos por una placa oscilante montada en un eje (véase bomba de pistón axial ).   

Los compresores domésticos, de taller y de obra pequeña suelen ser compresores alternativos de 1,5 hp (1,1 kW) o menos con un depósito receptor incorporado. Un compresor lineal es un compresor alternativo cuyo pistón actúa como rotor de un motor lineal. Este tipo de compresor puede comprimir una amplia gama de gases, incluyendo refrigerante, hidrógeno y gas natural. Por ello, se utiliza en diversas aplicaciones en diferentes industrias y puede diseñarse para una amplia gama de capacidades, variando el tamaño, el número de cilindros y la descarga de los mismos. Sin embargo, presenta mayores pérdidas debido a los volúmenes de holgura, resistencia por las válvulas de descarga y succión, mayor peso, dificultad de mantenimiento debido a la gran cantidad de piezas móviles y vibración inherente. ^{[ 5 ]}  

Un compresor de pistón de líquido iónico , compresor iónico o bomba de pistón de líquido iónico es un compresor de hidrógeno basado en un pistón de líquido iónico en lugar de un pistón de metal como en un compresor de diafragma de pistón-metal .

Los compresores de tornillo rotatorio utilizan dos tornillos helicoidales de desplazamiento positivo giratorios engranados para forzar el gas a un espacio más pequeño. ^{[ 1 ] [ 6 ] [ 7 ]} Estos se utilizan generalmente para operación continua en aplicaciones comerciales e industriales y pueden ser estacionarios o portátiles. Su aplicación puede ser de 3 caballos de fuerza (2,2 kW) a más de 1200 caballos de fuerza (890 kW) y de baja presión a presión moderadamente alta (> 1200 psi o 8,3 MPa ). Las clasificaciones de los compresores de tornillo rotatorio varían según las etapas, los métodos de enfriamiento y los tipos de accionamiento, entre otros. ^{[ 8 ]} Los compresores de tornillo rotatorio se producen comercialmente en tipo inundado de aceite, inundado de agua y seco. La eficiencia de los compresores rotatorios depende del secador de aire, y la selección del secador de aire es siempre 1,5 veces el caudal volumétrico del compresor. ^{[ 9 ]} Existen diseños con un solo tornillo ^{[ 10 ]} o tres tornillos ^{[ 11 ] [ 12 ]} en lugar de dos. Los compresores de tornillo tienen menos componentes móviles, mayor capacidad, menor vibración y oscilación, pueden operar a velocidades variables y, por lo general, tienen mayor eficiencia. Los tamaños pequeños o las bajas velocidades del rotor no son prácticos debido a las fugas inherentes causadas por la holgura entre las cavidades de compresión o los tornillos y la carcasa del compresor. ^{[ 5 ]} Dependen de tolerancias de mecanizado precisas para evitar grandes pérdidas por fugas y son propensos a sufrir daños si se operan incorrectamente o si no reciben un mantenimiento adecuado.    

Los compresores de paletas rotativas constan de un rotor con varias paletas insertadas en ranuras radiales. El rotor está montado descentrado en una carcasa más grande, que puede ser circular o de forma más compleja. A medida que el rotor gira, las paletas se deslizan dentro y fuera de las ranuras, manteniendo contacto con la pared exterior de la carcasa. ^{[ 1 ]} De esta forma, las paletas giratorias crean una serie de volúmenes que aumentan y disminuyen. Los compresores de paletas rotativas, junto con los compresores de pistón, son una de las tecnologías de compresión más antiguas.

Con las conexiones de puerto adecuadas, los dispositivos pueden ser compresores o bombas de vacío. Pueden ser fijos o portátiles, de una o varias etapas, y accionados por motores eléctricos o de combustión interna. Las máquinas de paletas secas se utilizan a presiones relativamente bajas (p. ej., 2 bar o 200 kPa o 29 psi ) para el movimiento de materiales a granel, mientras que las máquinas con inyección de aceite tienen la eficiencia volumétrica necesaria para alcanzar presiones de hasta unos 13 bar (1300 kPa; 190 psi) en una sola etapa. Un compresor de paletas rotativas es ideal para el accionamiento por motor eléctrico y es significativamente más silencioso que el compresor de pistón equivalente.      

Los compresores de paletas rotativas pueden tener eficiencias mecánicas de alrededor del 90%. ^{[ 13 ]}

El pistón rodante en un compresor de tipo pistón rodante actúa como una partición entre la paleta y el rotor. ^{[ 14 ]} El pistón rodante fuerza el gas contra una paleta estacionaria.

Dos de estos compresores pueden montarse en el mismo eje para aumentar la capacidad y reducir la vibración y el ruido. ^{[ 15 ]} Un diseño sin resorte se conoce como compresor oscilante. ^{[ 16 ]}

En refrigeración y aire acondicionado, este tipo de compresor también se conoce como compresor rotativo, mientras que los compresores de tornillo rotativo también se conocen simplemente como compresores de tornillo.

Ofrece mayor eficiencia que los compresores alternativos debido a las menores pérdidas por el volumen de holgura entre el pistón y la carcasa del compresor; es entre un 40 % y un 50 % más pequeño y ligero para una capacidad determinada (lo que puede influir en los costes de material y envío cuando se utiliza en un producto); genera menos vibraciones; tiene menos componentes y es más fiable que un compresor alternativo. Sin embargo, su estructura no permite capacidades superiores a 5 toneladas de refrigeración; es menos fiable que otros tipos de compresores; y es menos eficiente que otros tipos de compresores debido a las pérdidas por el volumen de holgura. ^{[ 5 ]}

Un compresor scroll , también conocido como bomba scroll y bomba de vacío scroll , utiliza dos paletas entrelazadas en forma de espiral para bombear o comprimir fluidos como líquidos y gases . La geometría de las paletas puede ser involuta , espiral de Arquímedes o curvas híbridas. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]} Funcionan de manera más suave, silenciosa y confiable que otros tipos de compresores en el rango de volumen más bajo. A menudo, una de las espirales es fija, mientras que la otra orbita excéntricamente sin rotar, atrapando y bombeando o comprimiendo bolsas de fluido entre las espirales. Debido al volumen mínimo de espacio libre entre la espiral fija y la espiral orbital, estos compresores tienen una eficiencia volumétrica muy alta .

Estos compresores se utilizan ampliamente en sistemas de aire acondicionado y refrigeración porque son más ligeros, compactos y tienen menos piezas móviles que los compresores alternativos, además de ser más fiables. Sin embargo, son más caros, por lo que los enfriadores Peltier o los compresores rotativos y alternativos pueden utilizarse en aplicaciones donde el coste es el factor más importante o uno de los más importantes a considerar al diseñar un sistema de refrigeración o aire acondicionado.

Este tipo de compresor se utilizó como sobrealimentador en los motores Volkswagen G60 y G40 a principios de la década de 1990.

En comparación con los compresores de pistón alternativo y de rodillos, los compresores scroll son más fiables, ya que tienen menos componentes y una estructura más simple; son más eficientes, puesto que no tienen volumen de holgura ni válvulas; y presentan las ventajas de una menor oscilación y vibración. Sin embargo, en comparación con los compresores de tornillo y centrífugos, los compresores scroll tienen menor eficiencia y menor capacidad. ^{[ 5 ]}

Un compresor de diafragma (también conocido como compresor de membrana ) es una variante del compresor alternativo convencional. La compresión del gas se produce mediante el movimiento de una membrana flexible, en lugar de un elemento de admisión. El movimiento de vaivén de la membrana es impulsado por una biela y un mecanismo de cigüeñal. Solo la membrana y la caja del compresor entran en contacto con el gas que se está comprimiendo. ^{[ 1 ]}

El grado de flexión y el material del diafragma influyen en la vida útil del equipo. Los diafragmas metálicos, generalmente rígidos, solo pueden desplazar unos pocos centímetros cúbicos de volumen, ya que el metal no soporta grandes grados de flexión sin agrietarse. Sin embargo, su rigidez permite bombear a altas presiones. Los diafragmas de caucho o silicona son capaces de soportar bombeos profundos con una flexión muy elevada, pero su baja resistencia limita su uso a aplicaciones de baja presión y requieren ser reemplazados cuando se produce fragilización plástica.

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

La fotografía de la derecha muestra un compresor de diafragma de tres etapas utilizado para comprimir hidrógeno gaseoso a 6000 psi (41 MPa) para su uso en una estación prototipo de suministro de hidrógeno comprimido y gas natural comprimido (GNC) construida en el centro de Phoenix, Arizona, por la empresa Arizona Public Service (una compañía de servicios eléctricos). Se utilizaron compresores alternativos para comprimir el gas natural . El compresor alternativo de gas natural fue desarrollado por Sertco . ^{[ 20 ]}  

La estación de servicio de combustible alternativo prototipo se construyó cumpliendo con todos los códigos de seguridad, medioambientales y de construcción vigentes en Phoenix para demostrar que este tipo de estaciones de servicio se pueden construir en zonas urbanas.

También conocida como trampa explosiva . Una mezcla de aire y agua generada por turbulencia cae en una cámara subterránea donde el aire se separa del agua. El peso del agua que cae comprime el aire en la parte superior de la cámara. Una salida sumergida permite que el agua fluya hacia la superficie a una altura menor que la entrada. Una salida en el techo de la cámara suministra el aire comprimido a la superficie. En 1910 se construyó una instalación basada en este principio en el río Montreal, en Ragged Shutes, cerca de Cobalt, Ontario , que suministraba 5000 caballos de fuerza a las minas cercanas. ^{[ 21 ]}

Los compresores centrífugos utilizan un disco giratorio o impulsor en una carcasa con forma para forzar el gas hacia el borde del impulsor, aumentando así su velocidad. Una sección difusora (conducto divergente) convierte la energía de velocidad en energía de presión. Se utilizan principalmente para servicio continuo y estacionario en industrias como refinerías de petróleo , plantas químicas y petroquímicas y plantas de procesamiento de gas natural . ^{[ 1 ] [ 22 ] [ 23 ]} Su aplicación puede abarcar desde 100 caballos de fuerza (75 kW) hasta miles de caballos de fuerza. Con múltiples etapas, pueden alcanzar altas presiones de salida superiores a 1000 psi (6,9 MPa) .   

Este tipo de compresor, junto con los compresores de tornillo, se utilizan ampliamente en grandes sistemas de refrigeración y aire acondicionado. Existen compresores centrífugos con cojinetes magnéticos (levitados magnéticamente) y con cojinetes de aire.

Muchas grandes plantas de producción de nieve artificial (como las estaciones de esquí ) utilizan este tipo de compresor. También se emplean en motores de combustión interna como sobrealimentadores y turbocompresores . Los compresores centrífugos se utilizan en turbinas de gas pequeñas o como etapa final de compresión en turbinas de gas de tamaño mediano.

Los compresores centrífugos son los compresores más grandes disponibles, ofrecen mayor eficiencia bajo cargas parciales, pueden ser libres de aceite cuando utilizan cojinetes de aire o magnéticos, lo que aumenta el coeficiente de transferencia de calor en evaporadores y condensadores, pesan hasta un 90 % menos y ocupan un 50 % menos de espacio que los compresores alternativos, son fiables y su mantenimiento es más económico, ya que menos componentes están expuestos al desgaste, y generan vibraciones mínimas. Sin embargo, su costo inicial es mayor, requieren mecanizado CNC de alta precisión , el impulsor debe girar a altas velocidades, lo que hace que los compresores pequeños sean poco prácticos, y aumenta la probabilidad de sobretensiones. ^{[ 5 ]} Las sobretensiones son la inversión del flujo de gas, es decir, el gas va del lado de descarga al de succión, lo que puede causar daños graves, especialmente en los cojinetes del compresor y su eje de transmisión. Se producen cuando la presión en el lado de descarga es mayor que la presión de salida del compresor. Esto puede provocar que los gases fluyan de un lado a otro entre el compresor y cualquier componente conectado a su línea de descarga, causando oscilaciones. ^{[ 5 ]}

Los compresores diagonales o de flujo mixto son similares a los compresores centrífugos, pero presentan componentes de velocidad radial y axial a la salida del rotor. El difusor se utiliza a menudo para redirigir el flujo diagonal hacia una dirección axial en lugar de radial. ^{[ 24 ]} En comparación con el compresor centrífugo convencional (con la misma relación de presión de etapa), la velocidad del compresor de flujo mixto es 1,5 veces mayor. ^{[ 25 ]}

Los compresores axiales son compresores rotativos dinámicos que utilizan conjuntos de álabes en forma de abanico para comprimir progresivamente un fluido. Se utilizan cuando se requieren altos caudales o un diseño compacto.

Los conjuntos de perfiles aerodinámicos se disponen en filas, generalmente en pares: uno giratorio y otro estacionario. Los perfiles aerodinámicos giratorios, también conocidos como álabes o rotores , aceleran el fluido. Los perfiles aerodinámicos estacionarios, también conocidos como estatores o paletas, desaceleran y redirigen la dirección del flujo del fluido, preparándolo para los álabes del rotor de la siguiente etapa. ^{[ 1 ]} Los compresores axiales son casi siempre multietapa, con el área de la sección transversal del paso de gas disminuyendo a lo largo del compresor para mantener un número de Mach axial óptimo . Más allá de unas 5 etapas o una relación de presión de diseño de 4:1, un compresor no funcionará a menos que esté equipado con características tales como paletas estacionarias con ángulos variables (conocidas como paletas guía de entrada variables y estatores variables), la capacidad de permitir que escape algo de aire a mitad del recorrido del compresor (conocida como purga entre etapas) y estar dividido en más de un conjunto giratorio (conocido como carretes gemelos, por ejemplo).

Los compresores axiales pueden alcanzar altas eficiencias, alrededor del 90 % de politropía en sus condiciones de diseño. Sin embargo, son relativamente caros, ya que requieren un gran número de componentes, tolerancias estrictas y materiales de alta calidad. Se utilizan en turbinas de gas de tamaño mediano a grande , estaciones de bombeo de gas natural y algunas plantas químicas.

Comparación de la forma diferencial del balance energético para cada dispositivo.

Dejar${\displaystyle q}$ser calor,${\displaystyle w}$ser trabajo,${\displaystyle ke}$ser energía cinética, y${\displaystyle pe}$ser energía potencial.

Compresor real:

${\displaystyle \delta q_{act}-\delta w_{acteltaq_{act}}{T}\geq 0}$

Además,${\displaystyle ds\geq {\frac {\delta q_{act}}{T}}}$y T es [temperatura absoluta] (${\displaystyle T\geq 0}$) que produce:${\displaystyle \delta w_{rev}\geq \delta w_{act}}$

o${\displaystyle w_{rev}\geq w_{act}}$

Por lo tanto, los dispositivos que consumen trabajo, como las bombas y los compresores (el trabajo es negativo), requieren menos trabajo cuando funcionan de forma reversible. ^{[ 26 ]}

Proceso isoentrópico : no implica enfriamiento. Proceso politrópico : implica cierto enfriamiento. Proceso isotérmico : implica enfriamiento máximo.

Al hacer las siguientes suposiciones, el trabajo requerido para que el compresor comprima un gas de${\displaystyle P_{1}}$a${\displaystyle P_{2}}$es lo siguiente para cada proceso:

${\displaystyle P_{1}}$y${\displaystyle P_{2}}$

Procesos de flujo VdP

Todos los procesos son internamente reversibles.

El gas se comporta como un gas ideal con calores específicos constantes.

Isentrópico (${\displaystyle Pv^{k}=constante}$, dónde${\displaystyle k=C_{p}/C_{v}}$):

${\displaystyle W_{comp,in}={\frac {kR(T_{2}-T_{1})}{k-1}}={\frac {kRT_{1}}{k-1}}\left[\left({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)^{(k-1)/k}-1\right]}$

Politrópico (${\displaystyle Pv^{n}=constante}$):

${\displaystyle W_{comp,in}={\frac {nR(T_{2}-T_{1})}{n-1}}={\frac {nRT_{1}}{n-1}}\left[\left({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)^{(n-1)/n}-1\right]}$

Isotérmico (${\displaystyle T=constante}$o${\displaystyle Pv=constante}$):

${\displaystyle W_{comp,in}=RTln\left({\frac {P_{2}}{P_{1}}}\right)}$

Al comparar los tres procesos internamente reversibles que comprimen un gas ideal desde${\displaystyle P_{1}}$a${\displaystyle P_{2}}$, los resultados muestran que la compresión isoentrópica (${\displaystyle Pv^{k}=constante}$) requiere la mayor parte del trabajo en y la compresión isotérmica(${\displaystyle T=constante}$o${\displaystyle Pv=constante}$) requiere la menor cantidad de trabajo en. Para el proceso politrópico (${\displaystyle Pv^{n}=constante}$El trabajo disminuye a medida que disminuye el exponente, n, al aumentar el rechazo de calor durante el proceso de compresión. Una forma común de enfriar el gas durante la compresión es usar camisas de enfriamiento alrededor de la carcasa del compresor. ^{[ 26 ]}