Compresor

Máquina para aumentar la presión del gas reduciendo su volumen.

Un pequeño compresor estacionario de aire respirable de alta presión para llenar cilindros de buceo.

Compresor alternativo de alta presión de Belliss y Morcom, utilizado en la industria embotelladora.

Un compresor es un dispositivo mecánico que aumenta la presión de un gas reduciendo su volumen . Un compresor de aire es un tipo específico de compresor de gas.

Los compresores son similares a las bombas : ambos aumentan la presión sobre un fluido y ambos pueden transportar el fluido a través de una tubería . La principal distinción es que el objetivo de un compresor es cambiar la densidad o el volumen del fluido, lo que en la mayoría de los casos sólo se puede lograr con gases. Los gases son comprimibles, mientras que los líquidos son relativamente incompresibles, por lo que los compresores rara vez se utilizan para líquidos. La acción principal de una bomba es presurizar y transportar líquidos.

Muchos compresores pueden ser por etapas, es decir, el fluido se comprime varias veces en pasos o etapas, para aumentar la presión de descarga. A menudo, la segunda etapa es físicamente más pequeña que la etapa primaria, para acomodar el gas ya comprimido sin reducir su presión. Cada etapa comprime aún más el gas y aumenta su presión y también su temperatura (si no se utiliza el enfriamiento intermedio entre etapas).

Tipos

Los tipos principales e importantes de compresores de gas se ilustran y analizan a continuación:

Desplazamiento positivo

Un compresor de desplazamiento positivo es un sistema que comprime el aire mediante el desplazamiento de un varillaje mecánico reduciendo el volumen (ya que la reducción de volumen debida a un pistón en termodinámica se considera desplazamiento positivo del pistón). ^{[ impreciso ]}

Dicho de otra manera, un compresor de desplazamiento positivo es aquel que funciona aspirando un volumen discreto de gas desde su entrada y luego obligando a ese gas a salir a través de la salida del compresor. El aumento de la presión del gas se debe, al menos en parte, a que el compresor lo bombea a un caudal másico que no puede pasar a través de la salida a la presión y densidad más bajas de la entrada.

Compresores alternativos

Un compresor alternativo de seis cilindros accionado por motor que puede funcionar con dos, cuatro o seis cilindros.

Los compresores alternativos utilizan pistones impulsados ​​por un cigüeñal. Pueden ser estacionarios o portátiles, de una o varias etapas y pueden ser accionados por motores eléctricos o de combustión interna. ^{[1] [2] [3]} Los compresores alternativos pequeños de 5 a 30  caballos de fuerza (hp) se ven comúnmente en aplicaciones automotrices y generalmente son 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 determinadas aplicaciones, como la compresión de aire, se dice que los compresores multietapa de doble acción son los compresores más eficientes disponibles y, por lo general, son más grandes y más costosos que las unidades rotativas comparables. ^[4] Otro tipo de compresor alternativo, generalmente empleado en sistemas de aire acondicionado de cabinas de automóviles , ^{[ cita necesaria ]} es el compresor de placa oscilante o de placa oscilante, que utiliza pistones movidos por una placa oscilante montada en un eje (ver bomba de pistones axiales ).

Los compresores domésticos, de taller doméstico y para lugares de trabajo más pequeños suelen ser compresores alternativos de 1½ hp o menos con un tanque receptor adjunto.

Un compresor lineal es un compresor alternativo en el que el pistón es el rotor de un motor lineal.

Este tipo de compresor puede comprimir una amplia gama de gases, incluidos refrigerante, hidrógeno y gas natural. Debido a esto, se utiliza en una amplia gama de aplicaciones en muchas industrias diferentes y puede diseñarse para una amplia gama de capacidades, variando el tamaño, la cantidad de cilindros y la descarga de los cilindros. Sin embargo, sufre mayores pérdidas debido a los volúmenes de holgura, resistencia debido a las válvulas de descarga y succión, pesa más, es difícil de mantener debido a que tiene una gran cantidad de piezas móviles y tiene vibración inherente. ^[5]

Compresor de pistón de líquido iónico

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 metálico como en un compresor de diafragma metálico-pistón .

Compresores de tornillo rotativo

aDiagrama de un compresor de tornillo rotativo

Los compresores de tornillo rotativo utilizan dos tornillos helicoidales giratorios de desplazamiento positivo engranados para forzar el gas a entrar en un espacio más pequeño. ^{[1] [6] [7]} Generalmente se utilizan para operación continua en aplicaciones comerciales e industriales y pueden ser estacionarios o portátiles. Su aplicación puede ser desde 3 caballos de fuerza (2,2 kW) hasta más de 1200 caballos de fuerza (890 kW) y desde baja presión hasta presión moderadamente alta (>1200 psi o 8,3 MPa).

Las clasificaciones de los compresores de tornillo rotativo varían según las etapas, los métodos de enfriamiento y los tipos de accionamiento, entre otros. ^[8] Los compresores de tornillo rotativo se producen comercialmente en los tipos inundados con aceite, inundados con agua y secos. La eficiencia de los compresores rotativos depende del secador de aire, ^{[ se necesita aclaración ]} 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] en lugar de dos.

Los compresores de tornillo tienen menos componentes móviles, mayor capacidad, menos vibraciones y sobretensiones, pueden funcionar a velocidades variables y, por lo general, tienen una mayor eficiencia. Los tamaños pequeños o las bajas velocidades del rotor no son prácticos debido a las fugas inherentes causadas por el espacio entre las cavidades o tornillos de compresión y la carcasa del compresor. ^[5] Dependen de tolerancias de mecanizado finas para evitar altas pérdidas por fugas y son propensos a sufrir daños si se utilizan incorrectamente o se les da un mantenimiento deficiente.

Compresores rotativos de paletas

Bomba excéntrica de paletas rotativas

Los compresores de paletas rotativas constan de un rotor con varias palas insertadas en ranuras radiales del rotor. El rotor está montado desplazado en una carcasa más grande que puede ser circular o tener una forma más compleja. A medida que el rotor gira, las palas se deslizan hacia adentro y hacia afuera de las ranuras manteniendo contacto con la pared exterior de la carcasa. ^[1] Por lo tanto, las palas giratorias crean una serie de volúmenes crecientes y decrecientes. Los compresores de paletas rotativas son, junto con los compresores de pistón, una de las tecnologías de compresores más antiguas.

Con conexiones de puerto adecuadas, los dispositivos pueden ser un compresor o una bomba de vacío. Pueden ser estacionarios o portátiles, de una o varias etapas y pueden ser 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 material a granel, mientras que las máquinas con inyección de aceite tienen la eficiencia volumétrica necesaria para alcanzar presiones de hasta aproximadamente 13 bar (1300 kPa; 190 psi). en una sola etapa. Un compresor de paletas rotativas se adapta bien al accionamiento por motor eléctrico y su funcionamiento es significativamente más silencioso que el compresor de pistón equivalente.

Los compresores de paletas rotativas pueden tener eficiencias mecánicas de aproximadamente el 90%. ^[12]

Pistón rodante

Compresor de pistones rodantes

El pistón rodante en un compresor de pistón rodante desempeña el papel de partición entre la paleta y el rotor. ^[13] El pistón rodante fuerza el gas contra una paleta estacionaria.

Se pueden montar 2 de estos compresores en el mismo eje para aumentar la capacidad y reducir la vibración y el ruido. ^[14] Un diseño sin resorte se conoce como compresor oscilante. ^[15]

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

Ofrece mayor eficiencia que los compresores alternativos debido a menores pérdidas por el volumen de espacio libre entre el pistón y la carcasa del compresor, es entre un 40% y un 50% más pequeño y liviano para una capacidad determinada (lo que puede afectar los costos de material y envío cuando se usa en un producto). , causa menos vibración, tiene menos componentes y es más confiable que un compresor alternativo. Pero su estructura no permite capacidades superiores a 5 toneladas de refrigeración, es menos confiable que otros tipos de compresores y es menos eficiente que otros tipos de compresores debido a las pérdidas del volumen libre. ^[5]

Compresores scroll

Mecanismo de una bomba scroll.

Un compresor de espiral , también conocido como bomba de espiral y bomba de vacío de espiral , utiliza dos paletas en forma de espiral entrelazadas para bombear o comprimir fluidos como líquidos y gases . La geometría de las paletas puede ser curvas involutas , espirales de Arquímedes o híbridas. ^{[16] [17] [18]} 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 está fija, mientras que la otra orbita excéntricamente sin girar, atrapando y bombeando o comprimiendo bolsas de fluido entre las espirales.

Debido al mínimo espacio libre entre la espiral fija y la espiral orbital, estos compresores tienen una eficiencia volumétrica muy alta .

Estos compresores se utilizan ampliamente en aire acondicionado y refrigeración porque son más livianos, más pequeños y tienen menos piezas móviles que los compresores alternativos y también son más confiables. Sin embargo, son más caros, por lo que los refrigeradores Peltier o los compresores rotativos y alternativos se pueden usar en aplicaciones donde el costo 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 los años 1990.

En comparación con los compresores alternativos y de pistón rodante, los compresores scroll son más confiables ya que tienen menos componentes y tienen una estructura más simple, son más eficientes ya que no tienen volumen de holgura ni válvulas, y poseen las ventajas de tener menos oleadas y no vibrar tanto. . Pero, en comparación con los compresores centrífugos y de tornillo, los compresores scroll tienen menor eficiencia y menor capacidad. ^[5]

Compresores de diafragma

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 varilla y un mecanismo de cigüeñal. Sólo la membrana y la caja del compresor entran en contacto con el gas que se comprime. ^[1]

El grado de flexión y el material que constituye el diafragma afecta la vida de mantenimiento del equipo. Generalmente, los diafragmas metálicos rígidos sólo pueden desplazar unos pocos centímetros cúbicos de volumen porque el metal no puede soportar grandes grados de flexión sin agrietarse, pero la rigidez de un diafragma metálico le permite bombear a altas presiones. Los diafragmas de caucho o silicona son capaces de soportar carreras de bombeo profundas de muy alta flexión, pero su baja resistencia limita su uso a aplicaciones de baja presión y es necesario reemplazarlos cuando se produce fragilidad plástica.

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

Un compresor de diafragma de tres etapas.

La fotografía de la derecha muestra un compresor de diafragma de tres etapas utilizado para comprimir gas hidrógeno a 6000 psi (41 MPa) para su uso en un prototipo de estación de servicio de hidrógeno comprimido y gas natural comprimido (GNC) construida en el centro de Phoenix, Arizona, por Arizona Public. Empresa de servicios (una empresa de servicios eléctricos). Se utilizaron compresores alternativos para comprimir el gas natural . El compresor alternativo de gas natural fue desarrollado por Sertco . ^[19]

El prototipo de estación de servicio alternativo se construyó cumpliendo con todos los códigos de seguridad, ambientales y de construcción vigentes en Phoenix para demostrar que dichas estaciones de servicio se pueden construir en áreas urbanas.

Dinámica

Compresor de burbujas de aire

También conocido como trampantojo . Una mezcla de aire y agua generada por turbulencia se deja caer 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 de la cámara 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. Se construyó una instalación con este principio en el río Montreal en Ragged Shutes cerca de Cobalt, Ontario, en 1910 y suministró 5.000 caballos de fuerza a las minas cercanas. ^[20]

Compresores centrífugos

Un compresor centrífugo de una etapa.

Un compresor centrífugo de una sola etapa, principios del siglo XX, G. Schiele & Co., Frankfurt am Main

Los compresores centrífugos utilizan un disco giratorio o impulsor en una carcasa con forma para forzar el gas hacia el borde del impulsor, aumentando la velocidad del gas. Una sección de difusor (conducto divergente) convierte la energía de velocidad en energía de presión. Se utilizan principalmente para servicios estacionarios y continuos en industrias como refinerías de petróleo , plantas químicas y petroquímicas y plantas de procesamiento de gas natural . ^{[1] [21] [22]} Su aplicación puede ser 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 operaciones de fabricación de nieve (como las estaciones de esquí ) utilizan este tipo de compresor. También se utilizan en motores de combustión interna como sobrealimentadores y turbocompresores . Los compresores centrífugos se utilizan en pequeños motores de turbina de gas o como etapa de compresión final de turbinas de gas de tamaño mediano.

Los compresores centrífugos son los compresores más grandes disponibles, ofrecen mayor eficiencia bajo cargas parciales, pueden no tener aceite cuando se utilizan cojinetes magnéticos o de aire, 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 confiables y su mantenimiento cuesta menos, ya que hay menos componentes expuestos al desgaste y solo generan una vibración mínima. Pero su costo inicial es mayor, requiere un mecanizado CNC de alta precisión , el impulsor debe girar a altas velocidades, lo que hace que los compresores pequeños no sean prácticos y es más probable que se produzcan sobretensiones. ^[5] El oleaje es una inversión del flujo de gas, lo que significa que el gas pasa del lado de descarga al lado de succión, lo que puede causar daños graves, especialmente en los cojinetes del compresor y su eje impulsor. Es causada por una presión en el lado de descarga que es mayor que la presión de salida del compresor. Esto puede hacer que los gases fluyan de un lado a otro entre el compresor y cualquier cosa que esté conectada a su línea de descarga, provocando oscilaciones. ^[5]

Compresores diagonales o de flujo mixto

Los compresores diagonales o de flujo mixto son similares a los compresores centrífugos, pero tienen un componente de velocidad radial y axial a la salida del rotor. El difusor se utiliza a menudo para girar el flujo diagonal a una dirección axial en lugar de radial. ^[23] En comparación con el compresor centrífugo convencional (de la misma relación de presión de etapa), el valor de la velocidad del compresor de flujo mixto es 1,5 veces mayor. ^[24]

Compresores axiales

Una animación de un compresor axial.

Los compresores axiales son compresores giratorios dinámicos que utilizan conjuntos de superficies aerodinámicas en forma de ventilador para comprimir progresivamente un fluido. Se utilizan cuando se requieren altos caudales o un diseño compacto.

Los conjuntos de perfiles aerodinámicos se colocan en filas, generalmente en pares: uno giratorio y otro estacionario. Las superficies aerodinámicas giratorias, también conocidas como palas 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 las palas del rotor de la siguiente etapa. ^[1] Los compresores axiales casi siempre son de varias etapas, y el área de la sección transversal del paso de gas disminuye a lo largo del compresor para mantener un número de Mach axial óptimo . Más allá de aproximadamente 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 algo de aire escape parcialmente. a lo largo del compresor (conocido como purga entre etapas) y se divide en más de un conjunto giratorio (conocido como carretes gemelos, por ejemplo).

Los compresores axiales pueden tener altas eficiencias; alrededor del 90% politrópico en sus condiciones de diseño. Sin embargo, son relativamente caros y requieren una gran cantidad de componentes, tolerancias estrictas y materiales de alta calidad. Los compresores axiales se utilizan en motores de turbina de gas de tamaño mediano a grande , estaciones de bombeo de gas natural y algunas plantas químicas.

Herméticamente cerrado, abierto o semihermético

Un pequeño compresor herméticamente sellado en un refrigerador o congelador de consumo común generalmente tiene una carcasa exterior de acero redondeada soldada permanentemente, que sella los gases de funcionamiento dentro del sistema, en este caso un refrigerante R600a . No hay ninguna ruta para que se escapen los gases, como alrededor de los sellos del eje del motor. En este modelo, la sección superior de plástico forma parte de un sistema de descongelación automática que utiliza el calor del motor para evaporar el agua.

Los compresores utilizados en sistemas de refrigeración deben presentar fugas cercanas a cero para evitar la pérdida de refrigerante si van a funcionar durante años sin servicio. Esto requiere el uso de sellos muy efectivos, o incluso la eliminación de todos los sellos y aberturas para formar un sistema hermético . Estos compresores a menudo se describen como herméticos , abiertos o semiherméticos , para describir cómo está cerrado el compresor y cómo está situado el motor en relación con el gas o vapor que se comprime. Algunos compresores fuera del servicio de refrigeración también pueden estar sellados herméticamente hasta cierto punto, generalmente cuando manejan gases tóxicos, contaminantes o costosos, y la mayoría de las aplicaciones no relacionadas con la refrigeración se encuentran en la industria petroquímica.

En los compresores herméticos y en la mayoría de los semiherméticos, el compresor y el motor que acciona el compresor están integrados y funcionan dentro de la envoltura de gas presurizado del sistema. El motor está diseñado para funcionar y ser enfriado por el gas refrigerante que se comprime. Los compresores abiertos tienen un motor externo que impulsa un eje que pasa a través del cuerpo del compresor y dependen de sellos giratorios alrededor del eje para retener la presión interna.

La diferencia entre el hermético y el semihermético es que el hermético utiliza una carcasa de acero soldada de una sola pieza que no se puede abrir para su reparación; Si el hermético falla, simplemente se reemplaza por una unidad completamente nueva. Un semihermético utiliza una gran carcasa de metal fundido con cubiertas con juntas y tornillos que se pueden abrir para reemplazar los componentes del motor y del compresor. La principal ventaja de un hermético y semihermético es que no hay ruta para que el gas se escape del sistema. Las principales ventajas de los compresores abiertos es que pueden ser accionados por cualquier fuente de energía motriz, permitiendo seleccionar el motor más adecuado para la aplicación, o incluso fuentes de energía no eléctricas como un motor de combustión interna o una turbina de vapor , y en segundo lugar la El motor de un compresor abierto se puede reparar sin abrir ninguna parte del sistema de refrigerante.

Un sistema presurizado abierto, como el aire acondicionado de un automóvil, puede ser más susceptible a perder sus gases de funcionamiento. Los sistemas abiertos dependen del lubricante en el sistema para salpicar los componentes y sellos de la bomba. Si no se opera con suficiente frecuencia, el lubricante de los sellos se evapora lentamente y luego los sellos comienzan a tener fugas hasta que el sistema ya no funciona y debe recargarse. En comparación, un sistema hermético o semihermético puede permanecer sin uso durante años y, por lo general, puede volver a ponerse en marcha en cualquier momento sin requerir mantenimiento ni experimentar ninguna pérdida de presión del sistema. Incluso los sellos bien lubricados perderán una pequeña cantidad de gas con el tiempo, particularmente si los gases de refrigeración son solubles en el aceite lubricante, pero si los sellos están bien fabricados y mantenidos, esta pérdida es muy baja.

La desventaja de los compresores herméticos es que el motor no se puede reparar ni mantener, y se debe reemplazar todo el compresor si falla un motor. Una desventaja adicional es que los devanados quemados pueden contaminar todos los sistemas, lo que requiere que el sistema se bombee por completo y se reemplace el gas (esto también puede suceder en compresores semiherméticos donde el motor funciona con refrigerante). Normalmente, los compresores herméticos se utilizan en bienes de consumo ensamblados en fábrica de bajo costo, donde el costo de reparación y mano de obra es alto en comparación con el valor del dispositivo, y sería más económico comprar simplemente un nuevo dispositivo o compresor. Los compresores semiherméticos se utilizan en sistemas de refrigeración y aire acondicionado de tamaño mediano a grande, donde es más barato reparar y/o renovar el compresor en comparación con el precio de uno nuevo. Un compresor hermético es más sencillo y económico de construir que un compresor semihermético o abierto.

Termodinámica de la compresión de gases.

Compresor isentrópico

Un compresor puede idealizarse como internamente reversible y adiabático , por lo tanto, como un dispositivo isentrópico de estado estacionario, lo que significa que el cambio de entropía es 0. ^[25]

Se puede calcular el cambio de entalpía para un proceso de flujo. ^[26]

dH = VdP +TdS

El dS isentrópico es cero.

dH = VdP

Los procesos isentrópicos sin flujo, como algunos compresores de desplazamiento positivo, pueden utilizar una ecuación diferente. ^[27]

dH = PdV

Al definir el ciclo de compresión como isentrópico , se puede lograr una eficiencia ideal para el proceso y se puede comparar el rendimiento ideal del compresor con el rendimiento real de la máquina. La compresión isotrópica, tal como se utiliza en el código ASME PTC 10, se refiere a un proceso de compresión adiabática reversible ^[28]

Eficiencia isentrópica de compresores:

${\displaystyle \eta _{C}={\frac {\rm {Isentropic\;Compressor\;Work}}{\rm {Actual\;Compressor\;Work}}}={\frac {W_{s}}{W_{a}}}\cong {\frac {h_{2s}-h_{1}}{h_{2a}-h_{1}}}}$

${\displaystyle h_{1}}$es la entalpía en el estado inicial

${\displaystyle h_{2a}}$es la entalpía en el estado final del proceso real

${\displaystyle h_{2s}}$es la entalpía en el estado final del proceso isentrópico

Minimizar el trabajo requerido por un compresor

Comparación de compresores reversibles e irreversibles

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

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

Compresor real:

${\displaystyle \delta q_{act}-\delta w_{act}=dh+dke+dpe}$

Compresor reversible:

${\displaystyle \delta q_{rev}-\delta w_{rev}=dh+dke+dpe}$

El lado derecho de cada tipo de compresor es equivalente, por lo tanto:

${\displaystyle \delta q_{act}-\delta w_{act}=\delta q_{rev}-\delta w_{rev}}$

reorganizar:

${\displaystyle \delta w_{rev}-\delta w_{act}=\delta q_{rev}-\delta q_{act}}$

Sustituyendo la ecuación conocida en la última ecuación y dividiendo ambos términos por T: ${\displaystyle \delta q_{rev}=Tds}$

${\displaystyle {\frac {\delta w_{rev}-\delta w_{act}}{T}}=ds-{\frac {\delta q_{act}}{T}}\geq 0}$

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

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

Por lo tanto, los dispositivos que consumen trabajo, como bombas y compresores (el trabajo es negativo), requieren menos trabajo cuando funcionan de manera reversible. ^[25]

Efecto del enfriamiento durante el proceso de compresión.

Diagrama Pv (Volumen específico vs. Presión) que compara procesos isentrópicos, politrópicos e isotérmicos entre los mismos límites de presión.

proceso isentrópico : no implica enfriamiento, proceso
politrópico : implica algo de enfriamiento proceso
isotérmico : implica enfriamiento máximo

Haciendo los siguientes supuestos, el trabajo requerido para que el compresor comprima un gas es el siguiente para cada proceso: Supuestos: ${\displaystyle P_{1}}$ ${\displaystyle P_{2}}$

${\displaystyle P_{1}}$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 ( , donde ): ${\displaystyle Pv^{k}=constant}$ ${\displaystyle k=C_{p}/C_{v}}$

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

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

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

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

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

Al comparar los tres procesos internamente reversibles que comprimen un gas ideal desde a , los resultados muestran que la compresión isentrópica ( ) requiere la mayor cantidad de trabajo y la compresión isotérmica ( o ) requiere la menor cantidad de trabajo. Para el proceso politrópico ( ) trabaja en disminuye a medida que el exponente, n, disminuye, al aumentar el rechazo de calor durante el proceso de compresión. Una forma común de enfriar el gas durante la compresión es utilizar camisas de enfriamiento alrededor de la carcasa del compresor. ^[25] ${\displaystyle P_{1}}$ ${\displaystyle P_{2}}$ ${\displaystyle Pv^{k}=constant}$ ${\displaystyle T=constant}$ ${\displaystyle Pv=constant}$ ${\displaystyle Pv^{n}=constant}$

Compresores en ciclos termodinámicos ideales.

Ciclo Rankine Ideal 1->2 Compresión isentrópica en una bomba Ciclo Carnot
Ideal 4->1 Compresión isentrópica Ciclo Otto Ideal 1->2 Compresión isentrópica Ciclo Diesel Ideal 1->2 Compresión isentrópica Ciclo Brayton Ideal 1->2 Compresión isentrópica en una compresor Refrigeración ideal por compresión de vapor Ciclo 1->2 Compresión isentrópica en un compresor NOTA: Los supuestos isentrópicos solo son aplicables con ciclos ideales. Los ciclos del mundo real tienen pérdidas inherentes debido a compresores y turbinas ineficientes. Los sistemas del mundo real no son verdaderamente isentrópicos, sino que están idealizados como isentrópicos para fines de cálculo.

Temperatura

La compresión de un gas aumenta su temperatura .

Para una transformación politrópica de un gas:

${\displaystyle {\begin{cases}pV^{n}={\text{constant}}=p_{1}V_{1}^{n}=p_{2}V_{2}^{n}\Rightarrow {\frac {p_{2}}{p_{1}}}\ =\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{n}&\\{\frac {p^{\frac {n-1}{n}}}{T}}={\text{constant}}={\frac {p_{1}^{\frac {n-1}{n}}}{T_{1}}}={\frac {p_{2}^{\frac {n-1}{n}}}{T_{2}}}\Rightarrow \left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{\frac {n-1}{n}}={\frac {T_{2}}{T_{1}}}&\end{cases}}}$

El trabajo realizado para la compresión (o expansión) politrópica de un gas en un cilindro cerrado.

${\displaystyle W=\int _{V_{1}}^{V_{2}}pdV=p_{1}V_{1}^{n}\int _{V_{1}}^{V_{2}}V^{-n}dV={\frac {p_{1}V_{1}^{n}}{1-n}}(V_{2}^{1-n}-V_{1}^{1-n})={\frac {p_{1}V_{1}^{n}}{1-n}}V_{1}^{1-n}\left({\frac {V_{2}^{1-n}}{V_{1}^{1-n}}}-1\right)={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}}\left({\frac {V_{2}^{1-n}}{V_{1}^{1-n}}}-1\right)=}$

${\displaystyle ={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}}\left(\left({\frac {V_{1}}{V_{2}}}\right)^{n-1}-1\right)={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}}\left(\left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{\frac {n-1}{n}}-1\right)={\frac {p_{1}V_{1}}{1-n}}\left({\frac {T_{2}}{T_{1}}}-1\right)}$

entonces

${\displaystyle W=-{\frac {p_{1}V_{1}}{n-1}}\left(\left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{\frac {n-1}{n}}-1\right)}$

en el que p es la presión, V es el volumen, n toma diferentes valores para diferentes procesos de compresión (ver más abajo) y 1 y 2 se refieren a los estados inicial y final.

• Adiabático : este modelo supone que no se transfiere energía (calor) hacia o desde el gas durante la compresión, y todo el trabajo suministrado se suma a la energía interna del gas, lo que resulta en aumentos de temperatura y presión. El aumento de temperatura teórico es: ^[29]

${\displaystyle T_{2}=T_{1}\left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)^{(\kappa -1)/\kappa }}$

con T ₁ y T ₂ en grados Rankine o kelvins , siendo p ₂ y p ₁ presiones absolutas y relación de calores específicos (aproximadamente 1,4 para el aire). El aumento de la relación entre aire y temperatura significa que la compresión no sigue una simple relación presión-volumen. Esto es menos eficiente, pero rápido. La compresión o expansión adiabática modela más fielmente la vida real cuando un compresor tiene un buen aislamiento, un gran volumen de gas o una escala de tiempo corta (es decir, un alto nivel de potencia). En la práctica, siempre habrá una cierta cantidad de calor saliendo del gas comprimido. Por tanto, fabricar un compresor adiabático perfecto requeriría un aislamiento térmico perfecto de todas las partes de la máquina. Por ejemplo, incluso el tubo metálico de la bomba de neumáticos de una bicicleta se calienta al comprimir el aire para inflar el neumático. La relación entre temperatura y relación de compresión descrita anteriormente significa que el valor de para un proceso adiabático es (la relación de calores específicos). ${\displaystyle \kappa =}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle \kappa }$

• Isotérmico : este modelo supone que el gas comprimido permanece a una temperatura constante durante todo el proceso de compresión o expansión. En este ciclo, la energía interna se elimina del sistema en forma de calor al mismo ritmo que se agrega mediante el trabajo mecánico de compresión. La compresión o expansión isotérmica modela más fielmente la vida real cuando el compresor tiene una gran superficie de intercambio de calor, un volumen de gas pequeño o una escala de tiempo larga (es decir, un nivel de potencia pequeño). Los compresores que utilizan enfriamiento entre etapas entre las etapas de compresión son los que más logran una compresión isotérmica perfecta. Sin embargo, con dispositivos prácticos no se puede conseguir una compresión isotérmica perfecta. Por ejemplo, a menos que tenga un número infinito de etapas de compresión con los intercoolers correspondientes, nunca logrará una compresión isotérmica perfecta.

Para un proceso isotérmico, es 1, por lo que el valor de la integral de trabajo para un proceso isotérmico es: ${\displaystyle n}$

${\displaystyle W=\int _{V_{1}}^{V_{2}}pdV=p_{1}V_{1}\int _{V_{1}}^{V_{2}}{\frac {1}{V}}dV=p_{1}V_{1}\ln {\frac {V_{2}}{V_{1}}}=-p_{1}V_{1}\ln \left({\frac {p_{2}}{p_{1}}}\right)}$

Cuando se evalúa, se encuentra que el trabajo isotérmico es menor que el trabajo adiabático.

• Politrópico : este modelo tiene en cuenta tanto un aumento de temperatura en el gas como también cierta pérdida de energía (calor) en los componentes del compresor. Esto supone que el calor puede entrar o salir del sistema, y ​​que el trabajo del eje de entrada puede aparecer como un aumento de presión (generalmente trabajo útil) y un aumento de temperatura por encima de la adiabática (generalmente pérdidas debido a la eficiencia del ciclo). La eficiencia de la compresión es entonces la relación entre el aumento de temperatura al 100 por ciento teórico (adiabático) frente al real (politrópico). La compresión politrópica utilizará un valor entre 0 (un proceso de presión constante) e infinito (un proceso de volumen constante). Para el caso típico en el que se hace un esfuerzo por enfriar el gas comprimido mediante un proceso aproximadamente adiabático, el valor de estará entre 1 y . ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle \kappa }$

Compresión por etapas

En el caso de los compresores centrífugos, los diseños comerciales actualmente no superan una relación de compresión superior a 3,5 a 1 en cualquier etapa (para un gas típico). Dado que la compresión eleva la temperatura, el gas comprimido debe enfriarse entre etapas, lo que hace que la compresión sea menos adiabática y más isotérmica. Los enfriadores entre etapas (intercoolers) generalmente producen cierta condensación parcial que se elimina en separadores de vapor-líquido .

En el caso de compresores alternativos pequeños, el volante del compresor puede accionar un ventilador de refrigeración que dirige el aire ambiente a través del intercooler de un compresor de dos o más etapas.

Debido a que los compresores de tornillo rotativo pueden utilizar lubricante refrigerante para reducir el aumento de temperatura debido a la compresión, muy a menudo superan una relación de compresión de 9 a 1. Por ejemplo, en un compresor de buceo típico, el aire se comprime en tres etapas. Si cada etapa tiene una relación de compresión de 7 a 1, el compresor puede producir 343 veces la presión atmosférica (7 × 7 × 7 = 343 atmósferas ). (343 atm o 34,8  MPa o 5,04  ksi )

motores de accionamiento

Hay muchas opciones para el motor que alimenta el compresor:

• Las turbinas de gas alimentan los compresores de flujo axial y centrífugo que forman parte de los motores a reacción .
• Para compresores grandes son posibles turbinas de vapor o turbinas de agua .
• Los motores eléctricos son baratos y silenciosos para los compresores estáticos. Los motores pequeños aptos para suministros eléctricos domésticos utilizan corriente alterna monofásica . Los motores más grandes sólo se pueden utilizar cuando se dispone de un suministro eléctrico industrial de corriente alterna trifásica .
• Los motores diésel o de gasolina son adecuados para compresores portátiles y compresores de apoyo.
• En automóviles y otros tipos de vehículos (incluidos aviones, barcos, camiones, etc.) propulsados ​​por pistones, la potencia de salida de los motores diésel o de gasolina se puede aumentar comprimiendo el aire de admisión, de modo que se pueda quemar más combustible por ciclo. Estos motores pueden alimentar compresores utilizando la potencia de su propio cigüeñal (esta configuración se conoce como sobrealimentador ), o usar sus gases de escape para impulsar una turbina conectada al compresor (esta configuración se conoce como turbocompresor ) .

Lubricación

Los compresores que son impulsados ​​por un motor eléctrico se pueden controlar mediante un VFD o un inversor de potencia , sin embargo muchos compresores herméticos y semiherméticos solo pueden funcionar en un rango de velocidades fijas o en un rango, ya que pueden incluir bombas de aceite incorporadas. La bomba de aceite incorporada está conectada al mismo eje que impulsa el compresor e impulsa el aceite hacia el compresor y los cojinetes del motor. A bajas velocidades, cantidades insuficientes de aceite llegan a los cojinetes, lo que eventualmente provoca fallas en los cojinetes, mientras que a altas velocidades, se pueden perder cantidades excesivas de aceite de los cojinetes y el compresor y potencialmente hacia la línea de descarga debido a salpicaduras. Con el tiempo, el aceite se agota y los cojinetes quedan sin lubricar, lo que provoca fallas y el aceite puede contaminar el refrigerante, el aire u otro gas de trabajo. ^[30]

Aplicaciones

Los compresores de gas se utilizan en diversas aplicaciones donde se necesitan presiones más altas o volúmenes más bajos de gas:

• En el transporte por tuberías de gas natural purificado desde el sitio de producción hasta el consumidor, un compresor es accionado por un motor alimentado por gas purgado desde la tubería. Por tanto, no es necesaria ninguna fuente de alimentación externa.
• En el transporte marítimo de carga y operaciones de carga por parte de gaseros .
• Las refinerías de petróleo, las plantas de procesamiento de gas natural, las plantas petroquímicas y químicas y grandes plantas industriales similares requieren compresión para gases intermedios y finales.
• Los equipos de refrigeración y aire acondicionado utilizan compresores para mover el calor en ciclos de refrigerante (consulte refrigeración por compresión de vapor ).
• Los sistemas de turbinas de gas comprimen el aire de combustión de admisión .
• Los gases purificados o fabricados en pequeños volúmenes requieren compresión para llenar cilindros de alta presión para usos médicos , de soldadura y otros.
• Diversos procesos industriales, de fabricación y de construcción requieren aire comprimido para accionar herramientas neumáticas .
• En la fabricación y soplado de botellas y envases de plástico PET.
• Algunas aeronaves requieren compresores para mantener la presurización de la cabina en altitud.
• Algunos tipos de motores a reacción , como los turborreactores y los turbofan , comprimen el aire necesario para la combustión del combustible. Las turbinas del motor a reacción accionan el compresor de aire de combustión.
• En el buceo submarino , los aparatos respiratorios autónomos , la oxigenoterapia hiperbárica y otros equipos de soporte vital, los compresores proporcionan gas respirable presurizado , ya sea directamente o mediante contenedores de almacenamiento de gas a alta presión, como los cilindros de buceo . ^{[31] [32]} En el buceo desde superficie , generalmente se utiliza un compresor de aire para suministrar aire a baja presión (10 a 20 bar) para respirar.
• Los submarinos utilizan compresores para almacenar aire y utilizarlo posteriormente para desplazar el agua de las cámaras de flotación y ajustar la flotabilidad.
• Los turbocompresores y sobrealimentadores son compresores que aumentan el rendimiento del motor de combustión interna al aumentar el flujo másico de aire dentro del cilindro, de modo que el motor pueda quemar más combustible y, por tanto, producir más potencia.
• Los vehículos de transporte ferroviario y pesado por carretera utilizan aire comprimido para accionar los frenos de los vehículos ferroviarios o de carretera y otros sistemas ( puertas , limpiaparabrisas , motor , control de la caja de cambios , etc.).
• Las estaciones de servicio y los talleres de reparación de automóviles utilizan aire comprimido para llenar neumáticos y accionar herramientas neumáticas.
• Los pistones de fuego y las bombas de calor existen para calentar aire u otros gases, y comprimir el gas es sólo un medio para lograr ese fin.
• Los compresores de lóbulos rotativos se utilizan a menudo para proporcionar aire en líneas de transporte neumático de polvo o sólidos. La presión alcanzada puede oscilar entre 0,5 y 2 bar r. ^[33]

• 
  Compresor de aire de buceo en gabinete de reducción de ruido.

Ver también

• Medios relacionados con compresores en Wikimedia Commons
• Compresor axial  – Máquina para compresión de gas en flujo continuo
• Presurización de cabina  : proceso para mantener la presión del aire interna en aeronaves.
• Ventilador centrífugo  : ventilador mecánico que fuerza al fluido a moverse radialmente hacia afuera.
• Aire comprimido  : aire bajo una presión superior a la atmosférica.
• Secador de aire comprimido  – Sistemas de filtrado para reducir la humedad del aire comprimido
• Compresor electroquímico de hidrógeno.
• Pistón de fuego  : herramienta para encender fuego.
• Cojinete de láminas  : tipo de cojinete neumático
• Motor de aire caliente  : motor de combustión externa que utiliza aire como fluido de trabajo.
• Compresor de rotor guiado  : tipo de compresor de gas rotativo de desplazamiento positivo
• Compresor de hidrógeno  : dispositivo para aumentar la presión del gas hidrógeno.
• Compresor lineal  : compresor de gas donde el pistón es accionado por un actuador lineal.
• Compresor de anillo líquido  – Tipo de bomba giratoria de desplazamiento positivo.
• Compresor de hidruro  : compresor de hidrógeno basado en la absorción y desorción de hidrógeno.
• Compresor Natterer  : tipo de máquina de compresión de aire operada manualmente
• Cilindro neumático  – Dispositivo mecánico con gas comprimido.
• Tubo neumático  – Sistema de transporte de aire comprimido o vacío.
• Compresor alternativo  : dispositivo utilizado para bombear gases a alta presión (compresor de pistón)
• Soplador de raíces  : una bomba lobular de desplazamiento positivo Pages displaying short descriptions of redirect targets(un compresor de tipo lóbulo)
• Factor de deslizamiento  : medida del deslizamiento del fluido en el impulsor de un compresor o de una turbina.
• Trompe  – Compresor de aire accionado por agua
• Refrigeración por compresión de vapor  – Proceso de refrigeración
• Compresor de aire de velocidad variable  : compresor de aire que utiliza tecnología de accionamiento de velocidad variable

Referencias

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