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¿QUÉ ES UN COMPRESOR?
El compresor es una máquina que sirve para hacer ganar una energía a un fluido
compresible, generalmente bajo la forma de presión.
Aplicaciones e Historia.
El compresor es parte esencial de los motores de turbina de gas. Este tipo de
motor se trató de impulsar a principios del presente siglo, pero se abandonó por el bajo
rendimiento de los compresores. En la década de los treinta, progreso en el diseño y
construcción logrando rendimientos que le permitieron encontrar etensa aplicación
hoy día en los turborreactores de los modernos aviones, así como en la generación de
energía, también se está usando en la industria automotri! y como fuente de
energética de ciertos sistemas mecánicos.
• "on vitales en refinerías para manejar hidrógeno, etano, propano, propileno,
butano, etc.
• En las plantas petroquímicas, donde operan con etileno, butileno, ben!eno, etc.
• "e usan en la industria química en los procesos de síntesis del gas amoníaco,
metanol, etc.
• En plantas de separación de aire.
• #ratamiento de gas h$medo para convertirlo en gas seco, como en la
fabricación del gas %& o del %'(.
TURBOCOMPRESORES.
)n turbocompresor es un sistema de sobrealimentación que usa una turbina
centrífuga para accionar mediante su eje, un compresor centrífugo para comprimir
gases. Este tipo de sistemas se suele utili!ar en motores de combustión interna
alternativos, especialmente en los motores diésel.
"u objetivo es introducir más aire fresco, denso y a mayores presiones
que la atmosférica en la cámara de combustión.
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FUNCONAMENTO.
En los motores sobrealimentados, el turbocompresor consiste en una turbina
accionada por los gases de escape del motor de eplosión, en cuyo eje se fija un
compresor centrífugo que toma el aire a presión atmosférica después de pasar por el
filtro de aire y luego lo comprime para introducirlo en los cilindros a mayor presión.
%os gases de escape ceden gran parte de su energía interna *mecánica
+ térmica a la turbina.
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-unque
los motores
diesel y los
motores de
gasolina son muy
similares, la
diferencia es
debido a la forma
que se produce
la ignición, por
eso los motores
diesel son más
adecuados para
la
turbocompresión.
En un motor de
gasolina, el aire y
el combustible se me!clan entre sí *ya sea con un carburador o a través de la
inyección de combustible y la me!cla comprimida es entonces encendida por una
bujía. %os motores diesel operan por compresión y calentamiento del aire y luego
inyectan el combustible en donde es encendido por el calor del aire. Esto hace a los
turbocompresores, que condensan aire, compañeros naturales para un motor diesel.
-unque los motores de gasolina también eperimentan potencia añadida por la
compresión adicional de aire, las ganancias son menores que aquellas en un motor
diesel del mismo tamaño.
omo la energía utili!ada para comprimir el aire de admisión proviene de losgases de escape, que se desecharía en un motor atmosférico, no resta potencia al
motor cuando el turbocompresor está trabajando, tampoco provoca pérdidas fuera del
rango de trabajo del turbo, a diferencia de otros, como los sistemas con compresor
mecánico *sistemas en los que el compresor es accionado por una polea conectada al
cig/eñal.
Clasi!icaci"n
%a dirección del flujo puede ser radial o aial y se tiene0
• #urbocompresores 1adiales o entrífugos.
• #urbocompresores -iales.
uando el flujo es mito, o sea en parte radial y aial. "e incluye dentro de los
centrífugos.
TURBOCOMPRESORES A#A$ES.
%os primeros turbocompresores aiales se construyeron alrededor de 2344 por "ir
harles &arsons. 1elación de compresión y rendimientos muy bajos del orden del
556.
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7ientras que en la actualidad los rendimientos son del orden de 85 a 346. )n
turbocompresor aial tiene que ser muy reducido si se quiere mantener un rendimiento
elevado, siendo inferior a 95:, mientras que en las #urbinas de vapor o de gas es
mucho mayor.
B% T&r'oco(presores centr)!&*os
%os turbocompresores radiales y diagonales se denominan turbocompresores
centrífugos.
El turbocompresor es el más utili!ado porque no consume potencia del motor y puede
girar a más de 244 444 rpm. "e pueden clasificar en0
#urbocompresores de geometría fija.
#urbocompresores de geometría variable.
2. T&r'oco(presor +e *eo(etr)a !i,a
El conjunto turbocompresor está formado principalmente por una turbina *; y
un compresor *2 *figura 3.9 que se encuentran introducidos en sus
respectivas carcasas de formas opuestas y unidas ambas por un eje com$n
*<. #anto la turbina como el compresor contienen álabes para conseguir
aumentar la presión de alimentación. En una parte anea al turbo también se
encuentra la válvula de descarga *9 =astegate, que se encarga de limitar la
presión de sobrealimentación del turbo desviando una cantidad de gases de
escape directamente al escape sin pasar por la turbina.
%a carcasa de la turbina tiene forma de caracol para aumentar la velocidad de
los gases haciéndolos incidir con mayor fuer!a sobre sus álabes.
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%a carcasa del compresor tiene el mismo aspecto que la turbina, pero sus
condiciones de utili!ación son menos etremas en cuanto a temperaturas, pero
son iguales en cuanto a la presión que se produce en ellas.
>e forma resumida se puede decir que al aceite que pasa por el turbo se le
asignan dos principales tareas0
Establecer una pantalla de estanqueidad entre los gases de escape, el aire
introducido y las partes internas del turbocompresor.
#ransportar una parte muy elevada del calor cedido por los gases de escape a
la turbina. 1ebaja en unos ;44 o las partes del turbo que están en contacto con el
aceite
Siste(a +e re*&laci"n +e la presi"n +el t&r'o
%a regulación de la presión de sobrealimentación permite suministrar al motor
una presión límite variable de sobrealimentación, la cual está acorde con las
condiciones de trabajo, tanto de solicitud de carga como a las climatológicas,
temperatura del aire y presión atmosférica. &ara ello, el turbocompresor dispone de
una válvula mecánica =astegate *figura 3.? encargada de regular la presión de
soplado del mismo.
Esta válvula está situada en derivación *by@pass con el conducto de escape
*figura 3.A. Está constituida por una cápsula sometida a la presión desobrealimentación, una membrana y una cámara de presión con un muelle tarado. El
accionamiento de esta válvula puede ser de tipo neumático o eléctrico.
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Re*&laci"n +e la presi"n por acciona(iento ne&(-tico.
>urante el funcionamiento del motor en ralentí o carga parcial la velocidad de
los gases de escape es moderada creando una presión de sobrealimentación
en el tubo *2 que es incapa! de abrir la válvula *9 *figura 3.8.
uando el motor gira a plena carga *elevadas revoluciones la presión en el
colector de admisión supera unos valores preestablecidos. Esta presión de
soplado se transmite del colector de admisión a la válvula =astegate a través
del tubo de coneión, que hace despla!ar la membrana *; y esta, a su ve!,comprime el muelle *< de la válvula *9 despla!ándola de su asiento.
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En esta situación parte de los gases de escape dejan de fluir por la turbina del
turbocompresor, reduciéndose el efecto del compresor y disminuyendo la
presión de alimentación en el lado de admisión.
Re*&laci"n +e la presi"n por acciona(iento elctrico.
%a $nica diferencia con el sistema neumático es que se ha instalado una electroválvula
de regulación *figura 3.3 intercalada en el tubo de unión entre el colector y la válvula
mecánica. Esta electroválvula para limitación de la presión de sobrealimentación es
ecitada por la unidad de control del motor y la señal que reciba va a variar en función
de las señales que llegan a la unidad de control, como las revoluciones del motor,
temperatura del aire aspirado, presión en el colector de admisión, posición del pedal
del acelerador y transmisor altimétrico.
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Está compuesta *figura 3.24 por un bobinado eléctrico *< que controla la posición de
un inducido constituido por un émbolo *; que, al despla!arse, puede cerrar el paso
permanente que se establece entre - *colector de admisión y B *conducto hacia la
=astegate. "eg$n el valor de la corriente recibida en el bobinado, el émbolo pasa a
cerrar el conducto - y a establecer el paso directo entre *presión atmosférica y B.
%a presión de control con que se acciona la válvula =astegate viene determinada por
la proporción de periodo de la señal. >e esta forma se gestiona la cantidad de caudal
de gases de escape que pasa a accionar la turbina del turbocompresor. %a presión de
control se obtiene por medio de la combinación de la presión atmosférica y la presión
de sobrealimentación.
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#ambién puede ocurrir que la unidad de control considere que la presión en el colector
puede sobrepasar ciertos límites de funcionamiento *circulación en altitud, elevada
temperatura ambiente o aceleraciones fuertes sin que esto sea un riesgo para el
motor. &ara ello actuará sobre la electroválvula y comunicará el conducto de presión
atmosférica situado antes del compresor *colector de admisión con el de la válvula
=astegate, manteniéndose está cerrada por no vencerse la presión del muelle, y
provocando un aumento de la sobrealimentación al entrar en contacto todos los gases
con la turbina.
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Te(perat&ras +e &n t&r'o
%as diferencias de temperaturas que se alcan!an a un lado y otro del turbo sonmuy notables *figura 3.2;. En la turbina se pueden alcan!ar temperaturas de 844 a 2
444 o, mientras que en el compresor como máimo se alcan!an unos 84 o. Esto
hace que el eje com$n al que se unen tanto la turbina como el compresor esté
sometido a temperaturas muy diferentes en sus etremos, lo cual dificulta el diseño y
sobre todo la elección de materiales para su construcción.
El turbo se refrigera principalmente por el aceite de engrase, y además por el
aire de entrada del colector de admisión que recoge parte del calor que contiene el
rodete compresor. Cay que destacar que esto $ltimo no es nada beneficioso para el
motor, ya que el aire caliente hace dilatar el aire de admisión y descender su densidad,
con lo que el rendimiento volumétrico del motor se ve seriamente perjudicado.
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nterca('ia+or +e calor o intercooler
Es un sistema compuesto por un intercambiador de calor en el que se introduce
el aire calentado que sale del rodete compresor para enfriarlo antes de introducirlo enlos cilindros del motor. El aire que incide sobre este intercambiador o radiador proviene
del eterior durante la marcha del vehículo y consigue rebajar la temperatura del aire
que pasa por el interior del intercooler unos 94 o *el aire de admisión en motores
turboalimentados puede alcan!ar hasta 244 o .
&or tanto, se trata de un intercambiador de calor aireDaire. on él se consigue
aumentar la potencia y el par del motor debido al aumento de la masa de aire que
entra en el cilindro como consecuencia de la subida de densidad del aire cuando este
enfría. tros efectos positivos resultantes de la utili!ación del intercooler son la
disminución del consumo y de las emisiones contaminantes.
En ciertos motores el intercambiador es de tipo aireDagua, es decir, al aire se le
fuer!a a pasar por un radiador por el que circula el agua del sistema de refrigeración.
/enta,as e incon0enientes +el t&r'oco(presor +e *eo(etr)a !i,a
- continuación se detallan de forma resumida las ventajas e inconvenientes
que ofrece la utili!ación de un turbocompresor en un vehículo0
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1. T&r'oco(presor +e *eo(etr)a 0aria'le
%os turbocompresores de geometría variable tienen la característica de que a
bajas revoluciones del motor se nota su efecto, eliminando el gran inconveniente de
los turbocompresores de geometría fija.
"on los más implantados en vehículos modernos. "u funcionamiento es similar a los
de geometría fija, pero con la salvedad de que estos no necesitan de una válvula de
descarga, puesto que el sistema puede hacer disminuir el giro de la turbina y, por
tanto, rebajar la presión a los valores preestablecidos en determinados modos de
funcionamiento del motor.
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F&nciona(iento con 'a,os re*)(enes +e rotaci"n +el (otor *figura 3.29.
En un turbocompresor convencional, en este estado de funcionamiento la
presión que ejercerían los gases de escape sería baja, produciendo un giro
lento de la turbina de escape y, como consecuencia, una presión de
sobrealimentación mínima. "in embargo, en un turbo de geometría variable, los
álabes móviles se encuentran cerrados en su totalidad de forma que la sección
de paso entre ellos es mínima. Esto hace aumentar la velocidad de los gases a
su paso por ellos, creando una mayor velocidad de giro de la turbina y, por
tanto, del compresor, aumentando la sobrealimentación en estos regímenes
bajos.
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F&nciona(iento con re*)(enes altos +e rotaci"n +el (otor 2 figura 3.25.
-l aumentar la velocidad de giro aumenta de igual forma la velocidad de losgases de escape y, por tanto, su energía cinética. En esta situación, del mismo
modo se eleva la velocidad del rotor del turbocompresor, aumentando la
presión de sobrealimentación y actuando esta a través de un tubo de coneión
sobre la membrana de la cápsula neumática, que hacer variar por medio del
conjunto de varillas la posición de los álabes móviles. %a posición final de los
álabes móviles dependerá de la presión de sobrealimentación, estando estos
totalmente abiertos *mayor sección de paso de gases cuando se alcancen los
valores máimos de presión establecidos. on este aumento de la sección de
paso de los gases de escape va a disminuir la velocidad con la que van a
incidir en el rotor de la turbina, obteniéndose velocidades de giro del compresor
iguales o inferiores a las conseguidas con regímenes bajos.
Electro0-l0&la re*&la+ora +e presi"n +e so'reali(entaci"n
En los turbos de geometría variable la presión de sobrealimentación es
regulada en función de un mapa de curvas características programadas en la unidad
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de control del motor, la cual ecita correspondientemente la válvula electromagnética
*2 para la limitación de la presión de sobrealimentación *figura 3.2?.
%a presión de control, con la que el depresor *; acciona las varillas que act$an sobre
los álabes móviles *<, se determina en función de la proporción de periodo de la
señal. - través de los álabes móviles se influye sobre el caudal de los gases de
escape que act$an contra la turbina. %a presión de control se constituye por una
combinación de presión atmosférica y depresión.
uando el motor se encuentra en bajas revoluciones, la electroválvula de
control es activada cuando recibe la señal de voltaje, cerrando el conducto que
proviene de la admisión *presión atmosférica y abriendo el de depresión *bomba de
vacío, con lo que la membrana de la cápsula neumática es absorbida, actuando esta
sobre el sistema de varillas y palancas despla!ándolas hacia su i!quierda *figura
3.2A.-. En esta posición los álabes están dispuestos de forma que entre ellos eista
la menor sección de paso que hace aumentar las revoluciones de giro de la turbina.
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uando el motor está en altas revoluciones la unidad de control deja de activar
la electroválvula y hace despla!ar el émbolo de la misma hacia la derecha cerrando el
conducto de depresión y abriendo el conducto de presión del colector de admisión. En
esta situación la propia presión hace despla!ar en sentido de compresión a la
membrana de la cápsula, despla!ando esta hacia la derecha el sistema de varillas ypalancas. En esta posición se despla!a al conjunto de aletas móviles a la posición de
mayor sección de paso *figura 3.2A.B. on esto se reduce la velocidad de los gases
de escape que pasan por la turbina de escape y, como consecuencia, se minimi!a la
presión de sobrealimentación de la rueda compresora.
Eiste una posición intermedia de la electroválvula en la cual se obtiene
igualmente una posición equilibrada de sección de paso de los gases de escape entre
los álabes móviles, correspondiendo esta situación a la de carga parcial del motor
*figura 3.2A..
$as 0enta,as +el t&r'oco(presor +e *eo(etr)a 0aria'le con respecto al
turbocompresor convencional se pueden resumir en la siguiente tabla0
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