Compresores - Revista MM

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Compresores:
Fuente de Potencia y Energía para la
Industria (*)
Paola Andrea Ruiz Rojas
Periodista M&M
Una de las formas para producir energía, más antiguas, seguras, económicas, eficientes,
conocidas y utilizadas por el hombre –desde la época de los griegos y hasta la actualidad–
es el aire comprimido. Sus propiedades lo hacen versátil y adaptable a la mayoría de los
procesos de automatización industrial.
D
esde siempre, el hombre se ha
ingeniado la forma para utilizar
y transformar, los recursos naturales
en combustible y energía: agua, madera, petróleo, carbón y hasta aire,
han sido aprovechados en pro del desarrollo industrial.
La primera utilización de aire comprimido de la que se tiene registro
histórico, se dio hace más de dos mil
años, en Grecia, cuando Ktesibios (1)
lo utilizó para producir presión de
vapor y de esta forma, mover las catapultas. Luego, en el siglo I a.C., se
crearon mecanismos con los que,
mediante el uso de aire caliente,
los fieles del Templo de Alejandría
lograban la apertura de las puertas;
pero sólo es hasta el siglo XIX, cuando aparecen las primeras máquinas
que aprovechan aire comprimido
para accionar diversos mecanismos,
como el sistema de propulsión en las
locomotoras.
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Foto: Schulz Compressors.
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Tipos de compresores.
Fuente: Ing. Alexander Villanueva. Representante Schulz, Colombia.
Ya, durante el siglo XX, la investigación y el estudio de los comportamientos, características y propiedades del aire permitieron que la industria desarrollara las primeras herramientas neumáticas, y empleara
aire comprimido para hacer posible
algunos procesos de manufactura.
En la actualidad, la mayoría de equipos industriales requieren de aire
comprimido para su funcionamiento,
aire que lo suministran compresores,
máquinas de flujo continuo que, por
medio de energía cinética o velocidad,
aumentan la presión de un gas, lo almacenan y lo transportan a través de
tuberías a los mandos y equipos neumáticos que lo requieren para operar.
inviable, ya que no se ha logrado,
mecánicamente, comprimir aire sin
variar la temperatura del mismo.
Una segunda forma de compresión
es la Adiabática (3), que parte de la
generación de calor en la misma medida o proporción en la que aumenta
la presión del gas; hecho que posibilita la generación de dos tipos de
energía: la neumática y la térmica.
Aunque no es el sistema más eficiente, si es económico y mecánicamente
apto, de allí que a partir de este tipo
de compresión se fabriquen los compresores más sencillos y también los
de más bajo costo.
Por último está la compresión Politrópica (4) que es aquella intermedia
entre la isotérmica y la adiabática, en
la que genera compresión con refrigeración, se puede decir que es también la más viable desde el punto de
vista mecánico y la más utilizada. Su
ventaja radica en que genera energía
neumática minimizando el consumo
de energía generadora, con lo que se
logra optimizar los recursos económicos y productivos.
Mecánicamente y a partir de los
métodos citados, la industria ha
desarrollado dos tipos básicos de
compresores: los dinámicos y los
volumétricos, cada uno de ellos con
varios modelos o tipos dotados con
diferentes mecanismos y características constructivas, para generar aire
comprimido.
• Compresores Dinámicos: El sistema
de compresión dinámica convierte
energía cinética (movimiento) en
presión. Utiliza energía para desplazar, a alta velocidad, un determinado volumen de aire, que luego es
bruscamente desacelerado, lo que
aumenta la presión de la masa. Este
tipo de compresor es ideal para obtener grandes volúmenes de aire, a
presiones de hasta 7 bar (5).
Foto: http://www.flickr.com
Métodos de Compresión
y Tipos de Compresores
Según las leyes de la física, existen
tres formas mediante las cuales se
puede comprimir aire: la primero
conocido como Isotérmica (2), consiste en aumentar la presión de un
gas pero sin provocar cambios en su
temperatura, es decir, ésta se mantiene constante. Este sería el procedimiento de compresión de gas ideal
para los fabricantes de compresores;
sin embargo, hasta la fecha ha sido
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Axiales y centrífugos, son los dos
tipos de compresores básicos,
propios de la categoría de los
dinámicos.
Foto: flickr.com/photos/kimerius.
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Existen dos tipos de compresores en
esta categoría: el Centrífugo que utiliza múltiples aletas rotativas, lo que
provoca una expulsión del flujo de
aire en sentido radial desde sus extremos, y el Axial, que impulsa aire,
a alta velocidad, en sentido a su eje.
Dado que no utilizan aceite, el aire
producido por estos compresores dinámicos está libre de lubricantes, a la
vez que la disposición externa de sus
rodamientos asegura un producto final sin contaminantes.
La selección de este tipo de equipos
industrialmente se debe establecer
bajo dos premisas: el volumen requerido de aire y la presión.
En Colombia, los compresores dinámicos son utilizados, básicamente,
por industrias y plantas donde operan máquinas de gran tamaño y exigentes niveles de producción como
las Petroquímicas, las empresas textileras y las papeleras.
• Compresores Volumétricos o de
Desplazamiento: Este tipo de
equipos conocidos también como
de Flujo intermitente, poseen un
sistema de compresión mediante
el cual se obtiene presión alterando el volumen del aire atmosférico.
Los compresores que conforman
este grupo, concentra el aire en un
recinto hermético, lo comprimen
en un espacio de menor volumen
y luego lo transportan a otro recipiente para almacenarlo. En este
grupo se ubican los reciprocantes y
los rotatorios.
• Reciprocantes o Alternativos:
desde el punto de vista físico y
mecánico, el funcionamiento de
estos equipos es muy sencillo y se
basa en el principio del desplazamiento del aire en tres tiempos:
admisión, compresión, descarga.
Son generalmente de pistón o diafragmas y gozan de alta demanda
por su simplicidad en el mantenimiento, relativa eficiencia y bajo
precio; se dice incluso que los equipos de pistón representan el mayor
porcentaje de ventas en el mundo
entre todos los compresores; rango
sustentado no sólo por las ventajas
ya anotadas, sino porque además
Modelos de Compresores
reciprocantes.
Existen en el mercado nacional,
varios modelos de compresores
reciprocantes, que pueden ser
utilizados por diferentes tipos de
máquinas industriales.
Fotos: http://mx.kaeser.com.
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exigen poca tecnología de sus fabricantes. Según los estudiosos del
tema, este tipo de equipos no han
tenido un avance tecnológico significativo, y en el último siglo, sólo
han variado los métodos constructivos y los materiales con los cuales
se construyen.
Específicamente, los equipos alternativos de pistón alcanzan elevadas presiones ya que trabajan con
volúmenes de aire intermitentes,
alternando etapas de compresión
y de enfriamiento entre descarga
y readmisión, lo que genera elevadas presiones finales; en otras palabras, inicia el proceso de forma
adiabática y finaliza el proceso en
compresión politrópica.
Entre los compresores de pistón,
se pueden encontrar dos tipos: los
de simple efecto –cuyo proceso de
compresión se realiza en el punto
superior del pistón, con una presión de aire elevada, rápidamente,
de 1 a 8 bar; y los de doble efecto,
en los que la acción compresora se
efectúa en las dos extremidades
del pistón, y poseen válvulas para
lograr el trabajo en doble vía.
Ya, de acuerdo a la forma en la que
están construidos, dentro de la
gama de los reciprocante, el mercado ofrece compresores en línea
y en “V”; y dependiendo de la sustancia que requieran para evitar la
fricción, los hay lubricados, libres
de aceite y mixtos.
En los reciprocantes, la compresión
del aire se inicia cuando el contenido del cilindro dispone de su
máxima capacidad, al encontrar el
pistón en su punto más bajo (punto
muerto inferior). Luego, y debido al
movimiento del pistón accionado
por una biela, el volumen inicial del
aire se reduce y se eleva la presión
por encima de la ejercida por el resorte de la válvula de descarga, lo
que permite que el aire comprimido pase a través de esta hacia la
tubería o el recipiente donde será
almacenado.
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Principales componentes y funciones de un
compresor de pistón.
Fotos: Manual ‘Fundamentos de energía neumática’.
1.
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6.
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8.
9.
Unidad Compresora.
Motor.
Presostato
Válvula piloto / Descarga
Válvula de alivio.
Válvula de Retención
Filtro de admisión.
Volante
Serpentinas
10. Válvula de seguridad.
11. Manómetro.
12. Dreno de depósito.
13. Depósito.
14. Ventana de inspección.
15. Protector de piezas móviles.
16. Correa de tracción.
17. Visor de aceite.
18. Dreno de aceite.
• Rotatorios: Son equipos que pueden manejar volúmenes de aire considerables (3000 CFM) y presiones de
trabajo de hasta 350 Psi, estos trabajan con dos rotores que giran en una carcasa y sus componentes están
montados con holguras o tolerancias muy pequeñas
que garantizan la compresión del aire con flujos axiales.
Vale señalar que este grupo lo componen los compresores de tornillo rotativo y los Blowers de lóbulos que son,
estos últimos, equipos con dos rotores simétricos en
paralelo, sincronizados por engranajes y con un sistema de funcionamiento muy simple, parecido al de una
bomba de aceite del motor de un auto, que requiere
un flujo constante de material, además de pocas piezas
en movimiento: y los compresores de tornillo rotativo.
El segundo tipo, los compresores de tornillo –creados hace
ya más de un siglo– son los más conocidos y utilizados. Su
principio de funcionamiento es sencillo, están constituidos
por dos tornillos helicoidales, uno macho y otro hembra
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Compresores de tornillo y sus partes
1. Admisión de aire y mezcla con
aceite durante el proceso de
compresión.
Foto: ‘Manual fundamentos de energía neumática’.
2. Separación de los fluidos.
1. Filtro de aire.
2. Válvula de admisión.
3. Filtro de aceite.
4. Correa transmisora.
5. Unidad compresora.
6. Separador de aire/aceite.
7. Motor eléctrico principal.
8. Radiador de aire aceite.
9. Válvula de presión mínima.
10. Visor del nivel de aceite.
11. Panel de control y comandos.
12. Válvula termostática.
3. Disipación del aceite para reiniciar el ciclo.
4. Disipación del aire para su
distribución.
En la actualidad, el mercado también ofrece compresores de tornillo que usan agua como lubricante
y filtro de partículas naturales; y
compresores de tornillo libres de
aceite, equipos dirigidos, estos últimos, a los segmentos de la industria de gran envergadura, capaces
de pagar sus precios elevados.
(rotores), montados sobre rodamientos en los dos extremos, confinados
en una carcasa que sirve, simultáneamente, de apoyo a los soportes de los
rotores y a la cámara de circulación
de los fluidos (aire y aceite). La admisión de aire ocurre en el segmento
inicial del rotor macho que, tras la
apertura de la cámara, aprisiona el
aire contra el núcleo del rotor hembra, reduciendo su volumen.
lubricación, sello y control de temperatura del sistema; precisamente, por ser un equipo lubricado,
esta variedad de compresor deja
pasar pequeñas partes por millón
por cada CFM producido, lo que
provoca contaminación en el aire
comprimido, en bajos niveles, deficiencia que se corrige tras el uso de
elementos filtrantes que retienen
estos y otros contaminantes.
Qué Compresor Elegir
En los modelos comunes se usa
aceite para evitar el desgaste de
los rotores o tornillos, sustancia que cumple las funciones de
La compresión, en este tipo de
equipos, ocurre tras un ciclo de
funcionamiento que consta, básicamente, de cuatro fases:
En este sentido, para determinar qué
tipo de compresor requiere una empresa, es preciso que ésta tenga en
cuenta varios parámetros de selección que le ayuden, no sólo a elegir
acertadamente el tamaño del equipo, sino que le garanticen la calidad y
cantidad del aire que requiere.
Funcionamiento de Compresor de tornillo.
A pesar de ser el compresor, uno
de los equipos vitales en cientos de
procesos productivos, un gran porcentaje de la pequeña y mediana
industria, aún desconoce el valor de
su servicio y por ende, le resta importancia a esta máquina y a su correcta
selección.
Independientemente del equipo que
escoja y como norma general, debe
establecer el número exacto de equipos y/o herramientas que necesitan
de aire comprimido para su funcionamiento, así como determinar el
consumo de aire y la presión que
requieren cada una de las máquinas
existentes, con miras a evitar subutilización de compresores y los costos
innecesarios que genera este hecho.
Gráfica: Ing. Alexander Villanueva.
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Foto: http://img186.imageshack.us
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Los compresores industriales son probados
en la práctica en una gran variedad de
aplicaciones de exigencia y de ambientes
rigurosos.
Los compresores de pistón, por ejemplo, funcionan en
su gran mayoría en régimen intermitente, lo que quiere
decir que los accionamientos y paradas son controlados
por un presostato o interruptor de presión, dispositivo
mecánico-neumático dispuesto para trabajar en rangos
de presión diferencial de 40 ibf/pulg2, y que permite que
el equipo permanezca detenido el tiempo necesario para
alcanzar el enfriamiento de la unidad compresora.
De allí que para una correcta actuación de un equipo
continuo o de régimen intermitente, la proporción de los
tiempos de parada y reinicio deben ser de 70/30, lo que
indica que durante un día de producción, los compresores
continuos deben permanecer el 70 por ciento con carga,
y el 30 por ciento apagados. Para lograr estos parámetros
es preciso escoger acertadamente los compresores, identificando el consumo de aire real en volumen.
Así, si la empresa no elige correctamente el compresor de
acuerdo a sus necesidades, y por el contrario exige de su
equipo un trabajo mayor para el que fue diseñado, puede
provocarle pérdida de desempeño, sobrecalentamiento,
consumo excesivo y desgaste prematuro. Conocer las características de los compresores es determinante al momento
de escogerlos, ya que éstas, sumadas a los requerimientos
de energía neumática de la maquinaria industrial –en cuanto
a volumen de aire y presión de operación– garantiza su correcto funcionamiento y una compresión de aire adecuada.
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Concepto y mecánica simple.
Bajo costo de mantenimiento.
Precio accesible.
Adaptación a equipos.
Dispensan mecanismos de separación aceite-aire y disipación posterior
mediante filtro separador de aceite y radiador.
Características principales de los compresores rotativos de tornillo
Efectividad volumétrica superior.
Carga horaria superior a 12 horas.
Menor consumo en Kw.
Generan aire comprimido a temperaturas más bajas.
Reinicializaciones más rápidas comparadas con los alternativos
Adaptación de recursos de alta tecnología.
Todo fabricante de herramientas y/o máquinas neumáticas tiene claramente determinado el caudal y la presión
de trabajo de sus equipos, normalmente esta información
se refiere a un factor de tiempo de utilización continua,
durante un minuto, y varía según el modelo y el fabricante.
Vale anotar que en las máquinas industriales, en general,
el consumo de aire se mantienen sin importar la altura sobre el nivel del mar en la que se encuentren; sin embargo,
en los compresores es necesario tener en cuenta que debido a las leyes de la física, la altura sobre el nivel del mar,
la temperatura ambiente y la humedad relativa si afectan
sus rendimientos. A manera de ejemplo, un compresor en
Bogotá es un 27,3% menos eficiente que el mismo equipo trabajando en Cartagena, razón por la cual debemos
sumar esta premisa al dimensionamiento del compresor.
Puntualmente, el desplazamiento o caudal teórico es un
valor resultante de un cálculo matemático determinado
por tres factores –diámetro del cilindro, curso del émbolo y rotaciones por minuto-, dichos factores que pueden
variar de un modelo a otro, representan la principal definición técnica y diferenciación entre compresores. Esta se
puede establecer mediante la siguiente fórmula:
Cilindrada = área cúbica del cilindro X curso del embolo
X número de pistones
Caudal teórico = cilindrada X rpm.
Existe también un desplazamiento efectivo o caudal real,
que es el volumen de aire que el compresor disponibiliza
a una presión determinada. El desplazamiento efectivo
dependerá de cada modelo de compresor y se establece
como la resultante del desplazamiento teórico menos las
pérdidas inevitables en el proceso de compresión mecánica de aire. Juega con factores como admisión de aire
de la atmósfera y variables como presión atmosférica,
temperatura y humedad relativa. Es importante tener en
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cuenta que compresores con igual desplazamiento teórico o cilindrada, no necesariamente tendrán el mismo
caudal efectivo, pues su forma constructiva, variables en
estándares de calidad e incluso el ambiente y las condiciones ambientales donde son instalados, influyen en que
estos caudales varíen de modelo a modelo.
Tenga en Cuenta
La calidad del aire de acuerdo a la aplicación es muy importante, pues hay equipos que admiten para trabajar de manera óptima, aire con pocos contaminantes. El agua, polvo
y aceite lubricante son los enemigos de las máquinas que
usan aire en su trabajo.
El suministro de un aire de calidad garantiza que los equipos neumáticos tengan una larga vida útil y que se reduzcan los intervalos de tiempo, para recibir mantenimientos
correctivos, lo que conlleva a una reducción de costos
operativos. El tratamiento de aire debe tenerse en cuenta
a la hora de calcular el tamaño del compresor, pues estos
procesos de tratamiento ocasionan pérdidas de presión.
Durante la vida útil de un compresor, que se estima en 10
años, el esquema de costos se divide en tres ítems importantes: el costo de adquisición (15%), el costo de mantenimiento (10%) y el costo eléctrico (75%); este último por
su proporción frente a los otros dos, debe ser estimado de
forma cuidadosa, pues escoger un compresor inadecuadamente, puede acarrear gastos innecesarios y aumentar,
por ende, el porcentaje de consumo eléctrico.
Los fabricantes de compresores siempre recomiendan
que, una vez el usuario haya establecido el consumo real
de su planta, este sea repartido en dos o más equipos con
el fin de no depender de uno solo, ya que si el suministro
de aire se corta, la planta pude sufrir paradas que acarren
pérdidas de dinero. Con la instalación de varios compresores también se logra un diseño de red adecuado y de
ser el caso, la instalación de equipos para el monitoreo,
Foto: www.tecnicaindustriales.com.
Características principales de los compresores alternativos de pistón
Compresor de
nivel rotativo, con
bajo nivel de ruido.
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control y optimización del uso de los compresores, los llamados gerenciadores.
Vale señalar que en el caso de que la empresa, no esté en
condiciones de realizar los cálculos necesarios para la instalación y aprovechamiento de los equipos, debe consultar o
solicitar una visita técnica de personal especializado que le
asesore y garantice un dimensionamiento de la planta adecuada y un sistema de generación de aire eficiente y seguro;
una inversión apropiada que le representará a la empresa
beneficios a corto y largo plazo.
Proveer aire comprimido no significa conectar un compresor a una red neumática, es todo un proceso que involucra la generación, preparación, distribución y suministro
del aire para que sea utilizado en las condiciones óptimas
que lo requieren todas y cada una de las aplicaciones.
Actualmente el aire comprimido se usa como un recurso
económico y versátil frente a otros medios energeticos,
toda industria moderna actual tiene en la mayoría de sus
procesos automatización neumática y/o equipos que requieren de aire comprimido como fuente de energía.
(*) Tomado de la revista Metal Actual. Número 18. Noviembre 2010 –
Enero 2011. Pág. 26.
Citas
1) Ktesibios: Ctesibio (en griego Κτησίβιος Ktêsíbios) (trabajó 285 a. C.–
222 a. C.) fue un inventor y matemático griego de Alejandría (siglo
III a. C.). Sus contribuciones a la investigación de los fenómenos naturales, así como de la geometría son sólo inferiores a los de Arquímedes. Escribió el primer tratado científico acerca del aire comprimido,
empleando para su elaboración bombas neumáticas e incluso cañones.
Estas investigaciones, junto con los ensayos de elasticidad del aire neumática, le han concedido la fama de ser “padre de la neumática”.
2) Isotérmica: en que la temperatura del gas permanece constante durante el proceso de compresión; es decir, que todo el calor generado en la
compresión es removido en el momento en que se genera.
3) Adiabática: en la que no se transfiere calor externo al gas ni se remueve
calor del gas, durante el proceso de compresión; es decir, todo el calor
generado en la compresión es retenido en el gas. Para los gases perfectos, esto se expresa como que la ecuación PV (Presión x Volumen) es
constante, si el proceso es reversible.
4) Politrópica: es en que la relación entre la presión y el volumen expresada
por la ecuación PVn, es constante, donde n es el exponente politrópico.
5) Bar: unidad de presión equivalente a un millón de barias, aproximadamente igual a una atmósfera (1 Atm). Su símbolo es “bar”. La palabra
bar tiene su origen en báros, que en griego significa peso.
Fuentes
•
Ing. Alexander Villanueva Ríos, Representante Schulz – Somar. schulz.
[email protected] - www.schulz.com.br
•
‘Fundamentos de Energía Neumática’. Schulz Compressors.
•
www.schulz.com.br - www.kaeser.com - www.sullair.com - www.wikipedia.com - http://widman.biz/boletines_informativos/56.pdf
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