Compresor

Máquina para aumentar la presión del gas reduciendo su volumen.

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

Compresor de gas natural en un pozo de gas

Compresor alternativo de alta presión de Belliss y Morcom, utilizado en la industria del embotellado

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

Muchos compresores pueden ser por etapas, es decir, el gas 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 dar cabida al 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 refrigeración intermedia entre etapas).

Tipos

Los compresores son similares a las bombas : ambos aumentan la presión de un fluido (como un gas) y ambos pueden transportar el fluido a través de una tubería . La principal diferencia es que el objetivo de un compresor es cambiar la densidad o el volumen del fluido, lo que en su mayoría solo se puede lograr con gases. Los gases son compresibles, 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.

A continuación se ilustran y analizan los principales e importantes tipos de compresores de gas:

Desplazamiento positivo

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

En otras palabras, un compresor de desplazamiento positivo es aquel que funciona aspirando un volumen discreto de gas desde su entrada y luego forzando a ese gas a salir por 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 por 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 accionados por un cigüeñal. Pueden ser fijos o portátiles, de una o varias etapas, y pueden ser accionados por motores eléctricos o motores 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 de baja presión a muy alta presión (>18000 psi o 124 MPa). En ciertas aplicaciones, como la compresión de aire, se dice que los compresores de doble acción multietapa son los compresores más eficientes disponibles y generalmente son más grandes y más costosos que las unidades rotativas comparables. ^[4] Otro tipo de compresor alternativo, empleado habitualmente en sistemas de aire acondicionado de cabina de automóviles, ^{[ cita requerida ]} 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 para uso doméstico, de talleres caseros y para lugares de trabajo más pequeños suelen ser compresores alternativos de 1,5 hp (1,1 kW) 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 refrigerantes, hidrógeno y gas natural. Debido a esto, se utiliza en una amplia gama de aplicaciones en muchas industrias diferentes y se puede diseñar 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, la 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 de pistón-metal .

Compresores de tornillo rotativo

Diagrama de un compresor de tornillo rotativo

Los compresores de tornillo rotativo utilizan dos tornillos helicoidales de desplazamiento positivo giratorios engranados para forzar el gas a entrar en un espacio más pequeño. ^{[1] [6] [7]} Estos se utilizan generalmente para el funcionamiento continuo 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 u 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 tipo inundado de aceite, inundado de agua y seco. La eficiencia de los compresores rotativos depende del secador de aire, ^{[ aclaración necesaria ]} y la selección del secador de aire siempre es 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 picos de presión, pueden funcionar a velocidades variables y, por lo general, tienen una mayor eficiencia. Los tamaños pequeños o las velocidades bajas del rotor no son prácticos debido a las fugas inherentes causadas por la holgura entre las cavidades de compresión o los tornillos y la carcasa del compresor. ^[5] Dependen de tolerancias de mecanizado finas para evitar altas pérdidas por fugas y son propensos a sufrir daños si se operan de manera incorrecta o se les da un mantenimiento deficiente.

Compresores de paletas rotativas

Bomba rotativa de paletas excéntricas

Los compresores de paletas rotativas constan de un rotor con una serie de álabes insertados en ranuras radiales en el rotor. El rotor está montado desplazado en una carcasa más grande que puede ser circular o de forma más compleja. A medida que el rotor gira, las paletas se deslizan dentro y fuera de las ranuras manteniendo el contacto con la pared exterior de la carcasa. ^[1] De este modo, las paletas 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 compresión más antiguas.

Con conexiones de puerto adecuadas, los dispositivos pueden ser un compresor o una bomba de vacío. Pueden ser estacionarios o portátiles, pueden ser de una o varias etapas y pueden ser accionados por motores eléctricos o motores de combustión interna. Las máquinas de paletas secas se utilizan a presiones relativamente bajas (por ejemplo, 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 es muy adecuado para el accionamiento por motor eléctrico y es significativamente más silencioso en funcionamiento que el compresor de pistón equivalente.

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

Pistón rodante

Compresor de pistón rodante

El pistón rodante en un compresor de estilo de pistón rodante cumple la función de una 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 una mayor eficiencia que los compresores alternativos debido a menores pérdidas por el 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 pérdidas por el espacio libre. ^[5]

Compresores de espiral

Mecanismo de una bomba de espiral

Un compresor de espiral , también conocido como bomba de espiral y bomba de vacío de espiral , utiliza dos paletas entrelazadas en forma de espiral para bombear o comprimir fluidos como líquidos y gases . La geometría de las paletas puede ser involuta , espiral de Arquímedes o curvas híbridas. ^{[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 volutas es fija, mientras que la otra orbita excéntricamente sin girar, atrapando y bombeando o comprimiendo así bolsas de líquido entre las volutas.

Debido al volumen mínimo de espacio libre entre el espiral fijo y el espiral orbital, estos compresores tienen una eficiencia volumétrica muy alta .

Estos compresores se utilizan ampliamente en aire acondicionado y refrigeración porque son más ligeros, más pequeños y tienen menos piezas móviles que los compresores alternativos, y también son más fiables. Sin embargo, son más caros, por lo que los refrigeradores Peltier o los compresores rotativos y alternativos se pueden utilizar en aplicaciones en las que el coste es el factor más importante o uno de los factores más importantes a tener en cuenta al diseñar un sistema de refrigeración o aire acondicionado.

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

En comparación con los compresores de pistón alternativo y rotativo, los compresores de espiral son más confiables ya que tienen menos componentes y una estructura más simple, son más eficientes ya que no tienen volumen de holgura ni válvulas, y poseen las ventajas de tener menos sobretensiones y no vibrar tanto. Pero, en comparación con los compresores de tornillo y centrífugos, los compresores de espiral 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 ida y vuelta de la membrana es impulsado por una varilla y un mecanismo de cigüeñal. Solo 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 afectan la vida útil del equipo. Generalmente, los diafragmas metálicos rígidos pueden desplazar solo 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 flexión muy alta, pero su baja resistencia limita su uso a aplicaciones de baja presión y deben reemplazarse cuando se produce fragilización del plástico.

Los compresores de diafragma se utilizan para hidrógeno y gas natural comprimido ( GNC ), así como en una serie de 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 abastecimiento de hidrógeno comprimido y gas natural comprimido (GNC) construida en el centro de Phoenix, Arizona, por la empresa Arizona Public Service (una empresa de servicios públicos de electricidad). 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 abastecimiento de combustible alternativo se construyó cumpliendo con todos los códigos ambientales, de seguridad y de construcción vigentes en Phoenix para demostrar que este tipo de estaciones de abastecimiento de combustible se pueden construir en áreas urbanas.

Dinámica

Compresor de burbujas de aire

También conocido como trampantojo . Se deja caer una mezcla de aire y agua generada por turbulencia 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 a la superficie a una altura inferior a la de la entrada. Una salida en el techo de la cámara suministra el aire comprimido a la superficie. En 1910 se construyó una instalación basada en este principio en el río Montreal , en Ragged Shutes, cerca de Cobalt, Ontario, y suministró 5000 caballos de fuerza a las minas cercanas. ^[20]

Compresores centrífugos

Un compresor centrífugo de una sola etapa

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 moldeada para forzar el gas hacia el borde del impulsor, aumentando la velocidad del gas. Una sección difusora (conducto divergente) convierte la energía de velocidad en energía de presión. Se utilizan principalmente para servicio continuo y estacionario en industrias como refinerías de petróleo , plantas químicas y petroquímicas y plantas de procesamiento de gas natural . ^{[1] [21] [22]} Su aplicación puede ser desde 100 caballos de fuerza (75 kW) hasta miles de caballos de fuerza. Con múltiples etapas, pueden lograr altas presiones de salida superiores a 1000 psi (6,9 MPa).

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

Muchas grandes plantas de producción de nieve (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 final de compresión de turbinas de gas de tamaño medio.

Los compresores centrífugos son los compresores más grandes disponibles, ofrecen mayores eficiencias bajo cargas parciales, pueden estar libres de aceite cuando se utilizan cojinetes de aire o magnéticos, lo que aumenta el coeficiente de transferencia de calor en evaporadores y condensadores, pesan hasta un 90% menos y ocupan un 50% menos de espacio que los compresores alternativos, son confiables y cuestan menos de mantener ya que menos componentes están expuestos al desgaste y solo generan una vibración mínima. Pero, su costo inicial es más alto, requieren un mecanizado CNC de alta precisión , el impulsor necesita girar a altas velocidades, lo que hace que los compresores pequeños sean poco prácticos, y el sobrevoltaje se vuelve más probable. ^[5] El sobrevoltaje es la 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 de transmisión. Es causado 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 ida y vuelta entre el compresor y lo que esté conectado a su línea de descarga, lo que causa oscilaciones. ^[5]

Compresores de flujo diagonal o mixto

Los compresores de flujo diagonal o 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 convertir el flujo diagonal en 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 rotativos dinámicos que utilizan conjuntos de perfiles aerodinámicos en forma de abanico para comprimir progresivamente un fluido. Se utilizan cuando se requieren caudales elevados o un diseño compacto.

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

Los compresores axiales pueden tener eficiencias elevadas, alrededor del 90% politrópicos 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 medianos y grandes , estaciones de bombeo de gas natural y algunas plantas químicas.

Herméticamente sellado, 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 por la que los gases se escapen, como alrededor de los sellos del eje del motor. En este modelo, la sección superior de plástico es 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 casi nulas para evitar la pérdida del 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 se sitúa el accionamiento del 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 la mayoría de los semiherméticos, el compresor y el motor que lo impulsa están integrados y funcionan dentro de la envoltura de gas presurizado del sistema. El motor está diseñado para funcionar dentro del gas refrigerante que se comprime y enfriarse gracias a él. Los compresores abiertos tienen un motor externo que impulsa un eje que pasa a través del cuerpo del compresor y dependen de sellos rotatorios 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 carcasa grande de metal fundido con tapas con juntas y tornillos que se pueden abrir para reemplazar los componentes del motor y del compresor. La principal ventaja de un hermético y un semihermético es que no hay ninguna ruta por la 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, lo que permite seleccionar el motor más apropiado 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, el motor de un compresor abierto puede recibir servicio sin abrir ninguna parte del sistema de refrigerante.

Un sistema abierto y presurizado, como el aire acondicionado de un automóvil, puede ser más susceptible a sufrir fugas de sus gases de funcionamiento. Los sistemas abiertos dependen del lubricante que hay en el sistema para salpicar los componentes de la bomba y los sellos. Si no se utiliza con la suficiente frecuencia, el lubricante de los sellos se evapora lentamente y, a continuación, 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 necesidad de mantenimiento ni de experimentar ninguna pérdida de presión del sistema. Incluso los sellos bien lubricados perderán una pequeña cantidad de gas con el tiempo, en particular 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. Otra desventaja es que los devanados quemados pueden contaminar todo el sistema, lo que requiere que se vacíe por completo el sistema y se reemplace el gas (esto también puede suceder en los compresores semiherméticos donde el motor funciona en el refrigerante). Por lo general, 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 simplemente comprar 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 reacondicionar el compresor en comparación con el precio de uno nuevo. Un compresor hermético es más simple y más barato 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 , y por lo tanto un dispositivo de estado estable isentrópico , lo que significa que el cambio en la entropía es 0. ^[25]

Se puede calcular el cambio de entalpía de 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 isoentrópico , se puede lograr una eficiencia ideal para el proceso y el rendimiento ideal del compresor se puede comparar con el rendimiento real de la máquina. La compresión isotrópica, como se utiliza en el código ASME PTC 10, se refiere a un proceso de compresión adiabático reversible ^[28].

Eficiencia isentrópica de los 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 para el proceso real

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

Minimizar el trabajo requerido por un compresor

Comparación de compresores reversibles e irreversibles

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

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

Compresor actual:

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

Además, y T es [temperatura absoluta] ( ) lo 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 forma 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 algún enfriamiento, proceso
isotérmico : implica enfriamiento máximo

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

${\displaystyle P_{1}}$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 ( ): ${\displaystyle Pv^{n}=constant}$

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

Isotermal ( 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 de a , los resultados muestran que la compresión isentrópica ( ) requiere el mayor trabajo en y la compresión isotérmica ( o ) requiere la menor cantidad de trabajo en. Para el proceso politrópico ( ) el trabajo 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 usar 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 ideal de Rankine 1->2 Compresión isentrópica en una bomba
Ciclo ideal de Carnot 4->1 Compresión isentrópica
Ciclo ideal de Otto 1->2 Compresión isentrópica Ciclo
ideal de Diesel 1->2 Compresión isentrópica Ciclo ideal de Brayton 1->2 Compresión isentrópica en un compresor Ciclo ideal de refrigeración por compresión de vapor 1->2 Compresión isentrópica en un compresor NOTA: Las suposiciones isentrópicas 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

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

donde p es presión, V es volumen, n toma valores diferentes para diferentes procesos de compresión (ver más abajo), y 1 y 2 se refieren a estados iniciales y finales.

• Adiabático : este modelo supone que no se transfiere energía (calor) hacia o desde el gas durante la compresión y que todo el trabajo suministrado se suma a la energía interna del gas, lo que da como resultado aumentos de temperatura y presión. El aumento teórico de temperatura 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 , p ₂ y p ₁ siendo presiones absolutas y razón de calores específicos (aproximadamente 1.4 para el aire). El aumento en la razón de aire y temperatura significa que la compresión no sigue una simple razón de presión a volumen. Esto es menos eficiente, pero rápido. La compresión o expansión adiabática modela más de cerca la vida real cuando un compresor tiene 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 flujo de calor fuera del gas comprimido. Por lo tanto, hacer un compresor adiabático perfecto requeriría un aislamiento térmico perfecto de todas las partes de la máquina. Por ejemplo, incluso el tubo de metal de una bomba de neumáticos de bicicleta se calienta a medida que comprime el aire para llenar un neumático. La relación entre la temperatura y la razón de compresión descrita anteriormente significa que el valor de para un proceso adiabático es (la razón de calores específicos). ${\displaystyle \kappa =}$ ${\displaystyle n}$ ${\displaystyle \kappa }$

• Isotermal : 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 a la misma velocidad que se agrega mediante el trabajo mecánico de compresión. La compresión o expansión isotérmica modela de manera más precisa la vida real cuando el compresor tiene una gran superficie de intercambio de calor, un pequeño volumen de gas o una escala de tiempo larga (es decir, un pequeño nivel de potencia). Los compresores que utilizan enfriamiento entre etapas de compresión son los que más se acercan a lograr una compresión isotérmica perfecta. Sin embargo, con dispositivos prácticos, no se puede lograr una compresión isotérmica perfecta. Por ejemplo, a menos que tenga una cantidad infinita de etapas de compresión con sus correspondientes intercoolers, 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 descubre 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 una 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 (normalmente trabajo útil) y un aumento de temperatura por encima de la adiabática (normalmente pérdidas debido a la eficiencia del ciclo). La eficiencia de compresión es entonces la relación entre el aumento de temperatura al 100 por ciento teórico (adiabático) y el real (politrópico). La compresión politrópica utilizará un valor de 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 para enfriar el gas comprimido por 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 actuales no superan una relación de compresión de más de 3,5 a 1 en ninguna etapa (para un gas típico). Dado que la compresión aumenta 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) suelen generar cierta condensación parcial que se elimina en separadores de vapor y líquido .

En el caso de pequeños compresores alternativos, el volante del compresor puede accionar un ventilador de enfriamiento 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 generar 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 de gran tamaño son posibles turbinas de vapor o turbinas de agua .
• Los motores eléctricos son económicos y silenciosos para los compresores estáticos. Los motores pequeños adecuados para suministros eléctricos domésticos utilizan corriente alterna monofásica . Los motores más grandes solo se pueden utilizar donde se disponga de una fuente de alimentación eléctrica industrial de corriente alterna trifásica .
• Los motores diésel o de gasolina son adecuados para compresores portátiles y compresores de apoyo.
• En los automóviles y otros tipos de vehículos (incluidos los 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 impulsar compresores utilizando su propia potencia del cigüeñal (esta configuración se conoce como supercargador ) o utilizar sus gases de escape para impulsar una turbina conectada al compresor (esta configuración se conoce como turbocompresor ).

Lubricación

Los compresores que funcionan con un motor eléctrico se pueden controlar mediante un variador de frecuencia o un inversor de potencia , sin embargo, muchos compresores herméticos y semiherméticos solo pueden funcionar en un rango de velocidades o a velocidades fijas, ya que pueden incluir bombas de aceite incorporadas. La bomba de aceite incorporada está conectada al mismo eje que impulsa el compresor y fuerza el aceite hacia los cojinetes del compresor y del motor. A bajas velocidades, no llegan cantidades suficientes de aceite 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 en la línea de descarga debido a salpicaduras. Finalmente, 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 gasoducto de gas natural purificado desde el lugar de producción hasta el consumidor, un compresor es accionado por un motor alimentado con gas extraído del gasoducto, por lo que no se necesita ninguna fuente de energía externa.
• En el transporte marítimo de carga y en las operaciones de carga realizadas por buques gaseros .
• Las refinerías de petróleo, las plantas de procesamiento de gas natural, las plantas petroquímicas y químicas y otras grandes plantas industriales similares requieren compresión para los gases de los productos intermedios y finales.
• Los equipos de refrigeración y aire acondicionado utilizan compresores para mover el calor en ciclos de refrigerante (ver refrigeración por compresión de vapor ).
• Los sistemas de turbinas de gas comprimen el aire de combustión de admisión .
• Los gases purificados o manufacturados de pequeño volumen 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 alimentar herramientas neumáticas .
• En la fabricación y moldeo por soplado de botellas y envases de plástico PET.
• Algunas aeronaves requieren compresores para mantener la presurización de la cabina a la altitud.
• Algunos tipos de motores a reacción , como los turborreactores y los turbofán, comprimen el aire necesario para la combustión del combustible. Las turbinas del motor a reacción impulsan el compresor de aire de combustión.
• En el buceo submarino , los aparatos de respiración autónomos , la terapia de oxígeno hiperbárico y otros equipos de soporte vital, los compresores proporcionan gas respirable presurizado ya sea directamente o a través de contenedores de almacenamiento de gas de alta presión, como cilindros de buceo . ^{[31] [32]} En el buceo con suministro desde la 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 para su uso posterior en el desplazamiento del agua de las cámaras de flotabilidad para ajustar la flotabilidad.
• Los turbocompresores y sobrealimentadores son compresores que aumentan el rendimiento del motor de combustión interna al aumentar el flujo de masa de aire dentro del cilindro, para que el motor pueda quemar más combustible y, por lo tanto, producir más potencia.
• Los vehículos de transporte ferroviario y pesado por carretera utilizan aire comprimido para operar los frenos de los vehículos ferroviarios o de carretera , y varios 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 herramientas neumáticas eléctricas.
• Los pistones de fuego y las bombas de calor existen para calentar el aire u otros gases, y comprimir el gas es sólo un medio para ese fin.
• Los compresores de lóbulos rotativos se utilizan a menudo para suministrar aire en líneas de transporte neumático de polvos o sólidos. La presión alcanzada puede variar de 0,5 a 2 bar g. ^[33]

• 
  Compresor de aire de buceo en cabina de reducción de ruido

Véase también

• Medios relacionados con Compresores en Wikimedia Commons
• Compresor axial  – Máquina para compresión de gases en flujo continuo
• Presurización de la cabina  : proceso para mantener la presión del aire interno en la aeronave.
• Ventilador centrífugo  : ventilador mecánico que fuerza al fluido a moverse radialmente hacia afuera.
• Aire comprimido  : Aire bajo una presión mayor que 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 de aire
• 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 en el que el pistón es impulsado por un actuador lineal.
• Compresor de anillo líquido  : Tipo de bomba rotativa 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 por aire comprimido o vacío
• Compresor alternativo  : Dispositivo utilizado para bombear gases a alta presión (compresor de pistón)
• Soplador Roots  : una bomba de lóbulos de desplazamiento positivo Páginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento(un compresor de tipo lóbulo)
• Factor de deslizamiento  : medida del deslizamiento del fluido en el impulsor de un compresor o 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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