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Unidad VI.- Compresores.

Introduccion.

Un compresor es una mquina que eleva la presin de un gas, un vapor o una mezcla de

gases y vapores. La presin del fluido se eleva reduciendo el volumen especifico del mismodurante su paso a travs del compresor. Comparados con turbo soplantes y ventiladorescentrfugos o de circulacin axial, en cuanto a la presin de salida, los compresores seclasifican generalmente como maquinas de alta presin, mientras que los ventiladores ysoplantes se consideran de baja presin.Los compresores se emplean para aumentar la presin de una gran variedad de gases yvapores para un gran numero de aplicaciones. Un caso comn es el compresor de aire, quesuministra aire a elevada presin para transporte, pintura a pistola, inflamiento deneumticos, limpieza, herramientas neumticas y perforadoras. Otro es el compresor derefrigeracin, empleado para comprimir el gas del vaporizador. Otras aplicaciones abarcanprocesos qumicos, conduccin de gases, turbinas de gas y construccin.

Los elementos principales de esta estructura son: motor, cuerpo, tapas, enfriador y rboles.El cuerpo y las tapas del compresor se enfran por el agua. Los elementos constructivostienen ciertas particularidades. Para disminuir las perdidas de energa de la friccin mecnicade los extremos de las placas contra el cuerpo en este se colocan dos anillos de descargaque giran libremente en el cuerpo. A la superficie exterior de estos se enva lubricacin. Algirar el motor los extremos de las placas se apoyan en el anillo de descarga y se deslizanparcialmente por la superficie interior de estos; los anillos de descarga giransimultneamente en el cuerpo.

Fig.1. Elementos que componen el compresor.

Al fin de disminuir las fuerzas de friccin en las ranuras las placas se colocan noradicalmente sino desvindolas hacia adelante en direccin de la rotacin. El ngulo dedesviacin constituye 7 a 10 grados. En este caso la direccin de la fuerza que acta sobrelas placas por lado del cuerpo y los anillos de descarga se aproxima a la direccin dedesplazamiento de la placa en la ranura y la fuerza de friccin disminuye.Para disminuir las fugas de gas a travs de los huelgos axiales, en el buje del motor secolocan anillos de empacaduras apretados con resortes contra las superficies de las tapas.Por el lado de salida del rbol a travs de la tapa, se ha colocado una junta deprensaestopas con dispositivos tensor de resortes.

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6.1.- Clasificacin de los compresores.

Al clasificarse segn el indicio constructivo los compresores volumtricos se subdividen enlos de mbolo y de motor y los de paletas en centrfugos y axiales. Es posible la divisin delos compresores en grupos de acuerdo con el gnero de gas que se desplaza, del tipo detransmisin y de la destinacin del compresor. Estos al igual que las bombas mencionadas

anteriormente pueden clasificarse en dos grupos:1. Compresores de desplazamiento positivo.

COMPRESORES ALTERNATIVOS O DE EMBOLO.

El compresor de embolo, de vaivn o de movimiento alternativo, es una maquina dedesplazamiento positivo que aumenta la presin de un volumen determinado de gasmediante la reduccin de su volumen inicial. La compresin se verifica por el movimiento devaivn de un embolo encerrado en un cilindro. Generalmente, el cilindro es de dobla efecto yesta accionado por un mecanismo de biela y manivela. La compresin tiene lugar en ambos

extremos del cilindro, el cual suele llevar una camisa de agua para disparar el calorengendrado por la friccin de los anillos del embolo y por la empaquetadura del vstago yparte del calor de compresin. La salida del vstago en el cilindro se cierra con unaempaquetadura sin escapes. Se regula la oportuna salida y entrada del gas en el cilindromediante vlvulas que se abren segn cambia la presin diferencial entre el interior delcilindro y el sistema gaseoso.El proceso de compresin puede verificarse en una sola etapa termodinmica (compresinde una fase) o dividirse en varias etapas con enfriamiento intermedio del gas (compresin devarias etapas o multigradual). La compresin multigradual requiere una maquina mascostosa que la compresin unifase, pero se utiliza con mas frecuencia por varias razones:menor consumo de energa, menor elevacin de temperatura del gas dentro del cilindro y

menor dimetro del cilindro.Los compresores que se utilizan mas comnmente para comprimir gases tienen una crucetaa la que se conectan la biela y la varilla del pistn. Esto proporciona un movimiento en lnearecta para la varilla del pistn y permite que se utilice un embalaje simple. Se pueden utilizarpistones de accin simple o doble, dependiendo del tamao de la maquina y el numero deetapas. En alguna maquinas, se usan pistones de accin doble, en la primera etapa y deaccin simple, en las posteriores.

Fig. 2. Compresor alternativo o de embolo.

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Compresor rotativo.

Se denominan compresores rotatorios o rotativos a aquellos grupos que producen airecomprimido por un sistema rotatorio y continuo, es decir, que empujan el aire desde laaspiracin hacia la salida, comprimindolo.Se distinguen los siguientes tipos:

Compresores de tornillo.

Esencialmente se componen de un par de motores que tienen lbulos helicoidales deengrane constante.La compresin por motores paralelos puede producirse tambin en el sentido axial con el usode lbulos en espira a la manera de un tornillo sin fin. Acoplando dos motores de este tipo,uno convexo y otro cncavo, y hacindolos girar en sentidos opuestos se logra desplazar elgas, paralelamente a los dos ejes, entre los lbulos y la carcaza.Las revoluciones sucesivas de los lbulos reducen progresivamente el volumen de gasatrapado y por consiguiente su presin, el gas as comprimido es forzado axialmente por larotacin de los lbulos helicoidales hasta 1 descarga.

Fig. 3. Compresor de tornillo.

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Compresores de paletas deslizantes.

El motor es excntrico en relacin a la carcasa o el cilindro, y lleva una serie de aletas que seajustan contra las paredes de la carcasa debido a la fuerza centrfuga.Este tipo de compresores consiste bsicamente de una cavidad cilndrica dentro de la cualesta ubicado en forma excntrica un motor con ranuras profundas, unas paletas

rectangulares se deslizan libremente dentro de las ranuras de forma que al girar el motor lafuerza centrifuga empuja las paletas contra la pared del cilindro. El gas al entrar, es atrapadoen los espacios que forman las paletas y la pared de la cavidad cilndrica es comprimida aldisminuir el volumen de estos espacios durante la rotacin.

Fig.4. Compresor de paletas deslizantes.

Compresores soplantes.

Se conocen como compresores de doble motor o de doble impulsor aquellos que trabajancon dos motores acoplados, montados sobre ejes paralelos, para una misma etapa decompresin. Una mquina de este tipo muy difundida es el compresor de lbulos mayorconocida como "Roots", de gran ampliacin como alimentador de los motores diesel ocompresores de gases a presin moderada. Los motores, por lo general, de dos o treslbulos estn conectados mediante engranajes exteriores. El gas que entra al sopladorqueda atrapado entre los lbulos y la carcaza; con el movimiento de los motores de lamquina, por donde sale, no pudieron regresarse debido al estrecho juego existente entre loslbulos que se desplazan por el lado interno.

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2. COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO.

COMPRESORES CENTRFUGOS.

El principio de funcionamiento de un compresor centrfugo es el mismo que el de una bombacentrfuga, su diferencial principal es que el aire o el gas manejado en un compresor es

compresible, mientras que los lquidos con los que trabaja una bomba, son prcticamenteincompresibles. Los compresores centrfugos pueden desarrollar una presin en su interior,que depende de la naturaleza y las condiciones del gas que manejan y es virtualmenteindependiente de la carga del procesamiento. Las condiciones que es preciso tomar encuenta son:

1. La presin baromtrica mas baja2. La presin de admisin mas baja3. La temperatura mxima de admisin4. La razn mas alta de calores especficos5. La menor densidad relativa6. El volumen mximo de admisin7. La presin mxima de descarga

La mayora de los compresores centrfugos funcionan a velocidades de 3.500 RPM(revoluciones por minuto) o superiores y uno de los factores limitantes es el de la fatiga delimpulsor. Los impulsores de los compresores centrfugos son por lo comn motoreselctricos o turbinas de vapor o gas, con o sin engranajes de aumento de velocidad.En un compresor, como en una bomba centrfuga, la carga es independiente del fluido que semaneje.Los compresores centrfugos constan esencialmente de: caja, volutas, rodetes impulsores,un eje y un sistema de lubricacin.Las volutas convierten la energa cintica del gas desarrollada por los impulsores en energapotencial o presin. La caja es la cubierta en que van ajustadas las volutas y esta proyectadapara la presin a la que se ha de comprimir el gas.La caja se construye adaptndola a la aplicacin particular y puede ser de hierro colado,acero estructural o fundicin de acero.

Fig. 5. Compresor centrifugo.

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La compresin de un gas en un compresor centrfugo requiere con frecuencia un medio deocluir el gas para evitar su fuga a la atmsfera o su contaminacin. Existen varios tipos deoclusores:

1. el de cierre mecnico con anillo de carbn.2. el gas inerte.

3. el directo de aceite en el cojinete del compresor y los de gasto de aceite.Todos estn diseados principalmente como cierre de funcionamiento y no de paro.Los compresores centrfugos se utilizan para una gran variedad de servicios, incluyendo:

1. Enfriamiento y desecacin.2. Suministro de aire de combustin a hornos y calderas.3. Sopladores de altos hornos, cpulas y convertidores.4. Transporte de materiales slidos.5. Procesos de flotacin.6. Por agitacin y aireacin, por ventilacin.7. Como eliminadores y para comprimir gases o vapor.

Compresor Axial.

El compresor axial se desarrollo para utilizarse con turbinas de gas y posee diversas ventajaspara servicios en motores de reaccin de la aviacin. Su aceptacin por la industria parainstalaciones estacionarias fue lenta; pero se construyeron varias unidades de grancapacidad para altos hornos, elevadores de la presin de gas y servicios en tnelesaerodinmicos.En los compresores de este tipo, la corriente de aire fluye en direccin axial, a travs de unaserie de paletas giratorios de un motor y de los fijos de un estator, que estn concntricosrespecto al eje de rotacin. A diferencia de la turbina, que tambin emplea los paletas de unmotor y los de un estator, el recorrido de la corriente de un compresor axial va disminuyendode rea de su seccin transversal, en la direccin de la corriente en proporcin a la reduccinde volumen del aire segn progresa la compresin de escaln a escaln.

Fig. 6. Compresor axial.

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Una vez suministrado el aire al compresor por el conducto de admisin, pasa la corriente atravs de un juego de paletas directores de entrara, que preparan la corriente para el primerescaln de del compresor. Al entrar en el grupo de paletas giratorios, la corriente de aire, quetiene una direccin general axial se defecta en la direccin de la rotacin. Este cambio dedireccin de la corriente viene acompaado de una disminucin de la velocidad, con laconsiguiente elevacin de presin por efecto de difusin. Al pasar la corriente a travs del

otro grupo de paletas del estator se lo para y endereza, despus de lo cual es recogida por elescaln siguiente de paletas rotatorios, donde contina el proceso de presurizacin.Un compresor axial simple puede estar constituido tericamente por varias etapas segn seanecesario, pero esto puede producir que a determinadas velocidades las ultimas etapasfuncionen con bajo rendimiento y las primeras etapas trabajen sobrecargadas. Esto puedeser corregido ya sea con extraccin de aire entre etapas o se puede conseguir mucha mayorflexibilidad y rendimiento partiendo el compresor en dos sistemas rotatorios completamenteindependientes mecnicamente, cada uno arrastrado por su propia turbina. El compresor dealta tiene paletas ms cortos que el de baja y es mas ligero de peso. Puesto que el trabajo decompresin de compresor de alta trabaja a mayor temperatura que el de baja se podrnconseguir velocidades mas altas antes de que las puntas de los paletas alcancen su nmerode Mach lmite, ya que la velocidad del sonido aumento a mayor temperatura. Porconsiguiente el compresor de alta podr rodar a mayor velocidad que el de baja.El aire al salir del compresor pasa a travs de un difusor que lo prepara para entrar a lacmara de combustin.

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6.2.- Anlisis de la primera ley de la termodinmica en un compresorreciprocante.

Los compresores reciprocantes abarcan desde una capacidad muy pequea hasta unos3000 PCMS. Para equipo de procesos, por lo general, no se utilizan mucho los tamaosgrandes y se prefieren los centrfugos. Si hay alta presin y un gasto ms bien bajo, se

necesitan los reciprocantes. El nmero de etapas o cilindros se debe seleccionar con relacina las o temperaturas de descarga, tamao disponible para los cilindros y carga en el cuerpo obiela del compresor.Los tamaos ms bien pequeos, hasta unos 100 HP, pueden tener cilindros de accinsencilla, enfriamiento con aire, y se pueden permitir que los valores de aceite en el depositose mezclen con el aire o gas comprimidos. Estos tipos slo son deseables en diseosespeciales modificados.

La primera ley de la termodinmica, tambin conocido como principio de conservacin de laenerga para la termodinmica, establece que si se realiza trabajo sobre un sistema o bienste intercambia calor con otro, la energa interna del sistema cambiar. Visto de otra forma,

esta ley permite definir el calor como la energa necesaria que debe intercambiar el sistemapara compensar las diferencias entre trabajo y energa interna.

Se observa que las turbinas producen energa, mientras que los compresores, bombas yventiladores requieren consumir energa. La transferencia de calor que proviene de lasturbinas es practicante despreciable (Q 0) debido a que por lo general estn bien aisladas.En los compresores la transferencia de calor tambin es despreciable a menos que hayaenfriamiento intencional. Los cambios de energa potencial se consideran despreciables paratodos estos dispositivos (ep 0). Las velocidades involucradas en estos aparatos, con

excepcin de las turbinas y los ventiladores, son por lo general demasiado bajas paraproducir un cambio significativo de energa cintica (ec 0). Las velocidades del fluidoencontradas en la mayora de las turbinas son muy altas y el fluido experimenta un cambiosignificativo en su energa cintica. Sin embargo, este cambio es muy pequeo en relacincon el cambio en la entalipa y por esto es que, a menudo, se ignora.

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6.3.- Minimizacin del trabajo de compresin.

Recientemente se demostr que la entrada de trabajo en un compresor se minimiza cuandoel proceso de compresin tiene una ejecucin internamente reversible.Cuando los cambios en las energas cintica y potencial son despreciables, el trabajo delcompresor esta dado por:

wrev, en = vdP

Una manera evidente de minimizar el trabajo del compresor es aproximarlo tanto como seaposible a un proceso internamente reversible con lo que se minimizan irreversibilidades comola friccin, la turbulencia y la compresin en no cuasi equilibrio. El grado en que puedelograrse esta limitado por consideraciones econmicas. Una segunda manera de reducir eltrabajo del compresor es mantener el volumen especifico del gas tan pequeo como seaposible durante el proceso de compresin. Esto se logra si se mantiene la temperatura delgas en el valor mas bajo posible durante la compresin, puesto que el volumen especifico deun gas es proporcional a la temperatura. Por tanto, reducir la entrada de trabajo a un

compresor requiere que el gas se enfre cuando se comprime.

Para una mejor interpretacin del efecto de enfriamiento durante el proceso de compresin,compare los requerimientos de entrada de trabajo para 3 tipos de procesos: un procesoisoentropico, un proceso politropico y un proceso isotrmico. Si se supone que los 3procesos se realizan entre los mismos niveles de presin (P1 y P2), de un modointernamente reversible y que el gas se comporta como un gas ideal (Pv = RT), se observaraque el trabajo de compresin se determina con la integracin en la ecuacin anteriormentevista para cada caso, con los siguientes resultados:

Isoentropico (Pvk = constante):

Politropico ( Pvn = constante):

Isotrmico ( Pv= constante):

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Compresin por etapas mltiples con interenfriamiento.

A partir de los argumentos anteriores se deduce que enfriar un gas cuando se comprime esdeseable puesto que reduce la entrada de trabajo requerida en el compresor. Sin embargo,con frecuencia no es posible tener un enfriamiento efectivo a traves de la carcasa delcompresor y es necesario emplear otras tecnicas para lograrlo. Una de esas tecnicas es la

compresion por etapas multiples con interenfriamiento, donde el gas se comprime en etapasy se enfria entre cada una de ellas al pasar por un intercambiador denominado interenfriador.En teoria, el proceso de enfriamiento sucede a presion constante, y el gas se enfria hasta latemperatura inicial T1 en cada interenfriador. La compresion por etapas multiples coninterenfriamiento es muy atractiva cuando un gas se va a comprimir a presiones muyelevadas.

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6.4.- Eficiencia isotrmica del compresor.

Un proceso isotrmico es el que se efecta a temperaturas constates, T = C. Si para un gasideal la temperatura se mantiene constante:

Ah=0 y !J = Q

En un proceso Isotrmico:

Q = P1 V1 In (V,/V,> kgm (o pie Lb)Vl = P2 v2

por lo tanto:

El rendimiento total o general, llamado comnmente rendimiento ,del compresor, es:

El trabajo ideal puede ser isotrmico o al isentrpico; generalmente, es el trabajo isentrpico.Con respecto a los compresores rotativos, en los cuales el enfriamientodurante la compresin es casi siempre despreciable, usaremos el rendimiento del compresorcomo:

en donde 2' es el estado real (estancamiento o estacionamiento), del fluido en la descarga oimpulsin, i el estado 2 est a la misma presin que el 2' pero a lo largo de una lneaisentrpica desde 1.

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6.5.- Eficiencia isoentropica del compresor.

Un proceso adiabtico es aquel en que no se trasmite calor 0 = 0.Un proceso isentrpico se define como un proceso reversible adiabtico, que es uno deentropia constante.

Para un flujo a travs de un compresor de W kg (o bien Ib) concalor especfico constante.

Se tiene que: 14 = w' (hl - h2) = Cp (Tl w T2)

La eficiencia isoentropica de un compresor es definida como la relacin entre el trabajo deentrada requerido para elevar la presin de un gas a un valor especifico de una maneraisoentropica y el trabajo de entrada real:

Advierta que la eficiencia del compresor isoentropico se define con la entrada de trabajoisoentropico en el numerador en ves de en el denominador. Debido a que ws, es una cantidadmas pequea que wa, y esta definicin evita que ns se vuelva mayor a 100%, lo queimplicara errneamente que los compresores reales se desempean mejor que losisoentropicos. Observe tambin que las condiciones de entrada la presin de salida del gasson las mismas, tanto para el compresor real como para el isoentropico.

Cuando los cambios en la energa cintica y potencial son despreciables, el trabajo deentrada para un compresor adiabtico se vuelve igual al cambio en la entalipa, entones:

Cuando los cambios en las energias potencial y cinetica de un liquido pueden ignorarse, laeficiencia isoentropica de una bomba se define como:

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6.6.- Trabajo ideal del compresor.

Un proceso es una interaccin entre un sistema y sus alrededores, y un proceso reversibleno involucra irreversibilidades asociadas con cualquiera de ellos.Un proceso se denomina internamente reversible si no hay irreversibilidades dentro de lasfronteras del sistema durante el proceso. En el transcurso de un proceso internamente

reversible, un sistema sigue una serie de estados de equilibrio, y cuando se invierte elproceso, el sistema pasa exactamente por los mismos estados de equilibrio mientras regresaa su estado inicial.Un proceso recibe el nombre de externamente reversible si no ocurren irreversibilidadesfuera de las fronteras del sistema durante el proceso. L a transferencia de calor entre undeposito y un sistema es un proceso externamente reversible si la superficie de contactoentre el sistema y el deposito se encuentran a la temperatura de este ultimo.Un proceso es llamado totalmente reversible, si no incluye irreversibilidades dentro delsistema ni en sus alrededores.

El ciclo terico de trabajo de un compresor ideal se entiende fcilmente mediante el estudio

de un compresor monofsico de pistn funcionando sin prdidas y que el gas comprimidosea perfecto.

Con sto se da por hecho que el pistn se mueve ajustado hermticamente al cilindro, eincluso se considera que el paso del aire hacia y desde el cilindro tiene lugar sin resistenciasen vlvulas y conductos, es decir, sin cambio de presin.El volumen de desplazamiento de un compresor es el volumen barrido en la unidad detiempo por la cara o caras del pistn de la primera etapa, en el caso de doble efecto, hay quetener en cuenta el vstago del pistn.El volumen desplazado VD por un compresor es el volumen de la cilindrada de la mquina

multiplicado por el nmero de revoluciones de la misma.

En el caso de ser un compresor de ms de una etapa, el volumen engendrado viene indicadopor la primera etapa.El espacio muerto o volumen nocivo V0 corresponde al volumen residual entre el pistn y el

fondo del cilindro y las lumbreras de las vlvulas, cuando el pistn est en su punto muerto,estimndose entre un 3% 10% de la carrera, de acuerdo con el modelo de compresor.Esto provoca un retraso en la aspiracin debido a que el aire almacenado en el volumenresidual a la presin p2 debe expansionarse hasta la presin p1 antes de permitir la entradade aire en el cilindro.

Sin embargo, su efecto es doble en razn a que si por un lado disminuye el volumen deaspiracin, por otro ahorra energa, ya que la expansin produce un efecto motor sobre el

pistn; se puede considerar que ambos efectos se compensan bajo el punto de vistaenergtico.

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Si el compresor no tuviese espacio muerto, el volumen residual entre el punto muertosuperior PMS y las vlvulas de aspiracin y escape sera 0; esta salvedad se hace en virtudde que la compresin del aire no se puede llevar, por razones fsicas, hasta un volumen nulo,existiendo al extremo de la carrera del compresor un espacio muerto, que se correspondecon el menor volumen ocupado por el gas en el proceso de compresin.

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6.7.- Trabajo real del compresor.

Los factores que causan la irreversibilidad de un proceso se llaman irreversibilidades. Entreellos estn la friccin, la expansin libre, la mezcla de dos fluidos, la transferencia de calor atravs de una diferencia finita de temperatura, la resistencia elctrica, la deformacininelastica de slidos y las reacciones qumicas.

Los procesos irreversibles (o reales) se hacen presentes en numerosos fenmenosnaturales.En realidad, la idea de un proceso reversible es solo una idealizacin ya que todo proceso esirreversible a nivel macroscopico. Siendo este el caso, el estudio de este tipo de procesos sehace muy importante para la termodinmica.

el trabajo real se calcula fijando una eficiencia isoentrpica para el compresor o mediante elcambio de entalpa entre las corrientes de salida y entrada en el compresor, es decir:

En la siguiente figura se representa en un diagrama p-v, el ciclo real de un compresor:

Al desplazarse el mbolo hacia su punto muerto inferior, causa una depresin en el interiordel cilindro que obliga a la vlvula de aspiracin a abrirse, llenando de aire el cilindro. Una

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vez alcanzado el PMI, el mbolo inicia el retorno hacia el PMS, provocando un aumento depresin que obliga a la vlvula de aspiracin a cerrarse, lograda la presin de descarga, sefacilita la apertura de la vlvula de descarga, y la salida del aire comprimido. Al llegar al PMS,el mbolo se mueve en sentido contrario (hacia el PMI), dando lugar a la expansin del gasacumulado en el espacio muerto, hasta conseguir de nuevo una presin inferior a la deaspiracin y continuar un nuevo ciclo.