COMPRESORES
2. COMPRESORES ROTATIVO
DE TORNILLO
En el
mercado se conocen comúnmente con el nombre de compresores de tornillo. Es una máquina con dos rotores que comprime
gas entre las cámaras de los lóbulos helicoidales entrelazados y la carcasa. El elemento básico es la carcasa en su
ensamble de rotores. Los lóbulos en los
rotores no son idénticos. El rotor que
tiene cuatro lóbulos convexos se
denomina rotor macho y el rotor que tiene seis lóbulos cóncavos se llama
hembra.
El rotor
macho o guía (rotor principal) consume alrededor del 85 al 90% de la potencia y
el hembra o guiado requiere a lo sumo sólo del 10 al 15% de la potencia total.
En este tipo
de compresores el gas se comprime y se desplaza con una rotación de presión
estable. La carencia de válvula de
aspiración e impulso y la inexistencia de fuerza mecánicas desequilibradas,
hacen que el compresor de tornillo pueda funcionar a altas revoluciones.
Existen dos
tipos de estos compresores, uno usa piñones acoplados para mantener los dos
rotores en fase todo el tiempo. Esta
clase no requiere lubricación y el sello entre lóbulos lo hacen las pequeñas
tolerancias. El segundo tipo usa un baño
de aceite a lo largo de la máquina para lubricar, sellar y enfriar el gas
comprimido.
Estas
unidades tienen compresión interna. La
relación de compresión se determina o diseña de acuerdo con la localización de
los bordes de las entradas, la abertura de descarga y el ángulo de
enrollamiento de los lóbulos.
La operación
de compresión en la cámara de aire:
1. El bolsillo de rotor
guiado está totalmente abierto y se llena con el gas de admisión. El bolsillo del rotor principal está abierto
hacia la admisión. Pero todavía no está
lleno en toda su longitud.
2. El bolsillo del rotor guiado se ha cerrado y
el bolsillo del rotor principal se ha llenado, pero aún está abierta la
admisión.
3. Los lóbulos se han
entrelazado, los bolsillos que casan se juntan y empieza a acortarse.
4. El bolsillo de la
espiral se hace más pequeño. El gas se comprime a medida que es desplazado
anualmente hacia el extremo de descarga.
A lo largo de la secuencia de 1 a 4 la cubierta del extremo de descarga
ha sellado el bolsillo.
5. La descarga ha sido
descubierta y el gas comprimido se descarga.
Es posible
tener doble-etapa haciendo un arreglo de máquinas en serie. Ocasionalmente las dos etapas están en la
misma carcaza conectadas por ductos internos.
En la figura
se ilustra el ciclo de compresión en un compresor rotatorio de tornillos. En
este equipo existen tres circuitos a saber un circuito eléctrico, un circuito
de aceite y por último un circuito de aire. Se hará énfasis en los dos últimos.
1. Inicialmente el aire
atmosférico entra a la unidad a través del filtro de admisión. El aire entra a la unidad por el vacío que
generan los rotores al girar en sentido inverso.
2. Se realiza la
compresión de la mezcla aire / aceite en la unidad.
3. La mezcla aire /
aceite ya comprimida se descarga de la unidad compresora, pasa por el cheque
para entrar al módulo del elemento separador.
El cheque sirve como prevención, puesto que el flujo de la mezcla se
realiza por presión diferencial. Al existir un corte de energía el aceite
tiende a salir por admisión, ya que es donde hay menor presión, reteniendo el
cheque a la descarga.
4. El módulo separador
realiza la separación de aire y aceite.
La mezcla entra por la parte inferior del módulo en forma tangencial,
creando un movimiento circular a la mezcla.
Las partículas de aceite que son más pesadas se decantan en el fondo del
módulo. Pequeñas cantidades de aceite
aún siguen el trayecto con el aire entrando a un elemento separador de fibra
coalescente que es donde se realiza la separación total de aire y aceite.
El efecto coalescente consiste en tomar la neblina del aire / aceite
hacerla pasar por varios orificios que se concentran en un solo orificio
generando así más gotas de aceite y dejar pasar sólo aire comprimido.
Es en el módulo separador donde se originan los dos circuitos: de aire y de
aceite.
5. Circuito de
aire. Siguiendo con el trayecto del aire,
al salir del módulo pasa por un post-enfriador, el cuál puede ser con
intercambiador de aire/ agua o aire/ aire tipo radiador.
Con el intercambiador de calor aire/ agua generalmente se logra una
diferencia de temperatura fría de25° F y en el intercambiador aire/ aire 15° F.
6. Por último el aire
pasa por una trampa con drenaje automático, que retiene parcialmente el
condensador de aire al ser enfriado, para ser suministrado a la planta.
7. Circuito de aceite.
Recordemos que el aceite tiene triple función: sellar, enfriar y lubricar. Al salir del módulo el aceite pasa por una
válvula termostática, en la cual se define que cantidad de aceite debe ser
enfriado, debido a que todo el aceite no puede ser enfriado ya que hay que
mantener una temperatura de compresión estable para evitar posibles condensados
de aire en la unidad y crear cavitación.
8. La cantidad de aceite
que se necesita enfriar se hace pasar por el intercambiador de calor aire/ agua
o aire/ aire.
9. Al salir del
intercambiador se pasa por el filtro aceite, donde se retienen las posibles
suciedades.
10. Después de filtrado el aceite llega a un
distribuidor, donde se reparte el aceite a los rodamientos, engranajes y a la
unidad.
Para las
unidades de tornillo no lubricamos se utiliza un enfriamiento por agua, para
remover el calor de compresión.
El sistema
de control de capacidad se hace normalmente por un sistema electro-neumático
mecánico. Aunque en los últimos años se han lanzado al mercado compresores de
tornillo controlados con un microprocesador, con el cual se tiene un
considerable ahorro de energía.
El sistema
de control gobernado con un microprocesador, se logra por un transductor
instalado en el equipo, el cual toma todas las señales y las convierte en
electrónicas. El panel de control tiene un seleccionador donde se escoge el
parámetro a chequear, el cual mediante un mensaje alfanumérico presenta el
valor de operación.
3. COMPRESORES DE FLUJO
CONTINUO
En este tipo
de compresores el tema se centralizará en los compresores dinámicos
centrífugos, ya que los demás compresores por su aplicación especial y escasa
no es del caso mencionarlos.
COMPRESORES DINÁMICOS
La
compresión en un compresor dinámico depende de la transferencia de energía que
se le entrega al gas por medio de un
juego de aspas girando. El rotor cumple con esta transferencia de energía
cambiando el momentum y la presión del gas.
El momentum, relacionado con la energía cinética, es convertido en
energía de presión útil mediante la desaceleración del gas corriente bajo. Un difusor estacionario o en otro juego de
aspas.
Los
compresores dinámicos no requieren lubricación interna y pueden suministrar
aire libre de aceite.
COMPRESOR
CENTRÍFUGO
El compresor
centrifugo tiene un impulsor con alabes radiales o inclinados y hacia
atrás. El gas es obligado a pasar a
través del impulsor por la acción mecánica de los alabes. La velocidad generada se convierte en
presión, parcialmente en el impulsor (la cantidad depende del diseño) y
parcialmente en los difusores estacionarios que se encuentran inmediatamente
después del impulsor. Se muestra en
ambas secciones radial y longitudinal un compresor centrifugo de una
etapa. Este utiliza un difusor radial y
un colector de gas tipo voluta terminado en un difusor de voluta.
Los
compresores centrífugos multi-etapa utilizan dos o más impulsores dispuestos
para flujo en serie, cada uno con difusor radial y canal de retorno separando
los impulsores.
Para comprender
mejor el ciclo de compresión en este tipo de compresores, sigamos el flujo de
gas.
1. El aire tiene su
entrada por el centro del impulsor el cual imparte velocidad al gas, la
dirección que toma es radial. La
admisión se da por que se crea un vacío en la boca del compresor, debido al
perfil que tienen los alabes.
2. El aire es dirigido
al difusor, que es donde la totalidad de la energía cinética se convierte en
presión. Este cambio se debe al choque de las partículas con la pared del
difusor. Este principio se puede
experimentar fácilmente si usted le pone la mano al flujo de aire que genera un
ventilador. En la mano se siente el
choque y en la cara posterior se siente presión.
3. Al salir del difusor
el gas sigue la dirección, para entrar al interenfriador aire/ agua, en este
caso de seis pasos, en este punto se disipa el calor de compresión. El condensado de agua es removido por trampas
con drenaje automático.
4. El aire entra a la
segunda etapa, el impulsor es de menor diámetro debido a que el volumen se ha
reducido, el gas se comprime bajo el mismo principio que en la primera etapa.
5. El aire después de
pasar por el difusor de la segunda etapa entra al post-enfriado donde el aire
comprimido es ya suministrado a la planta.
La relación entre etapas se determina en función del cambio de velocidad y
de la densidad del gas.
Los intercambios de calor se hacen voluminosos debido a que estos tipos de
compresores son muy sensibles a la caída de presión.
Las unidades centrífugas comercialmente operan en su mayoría a unas 20000
revoluciones por minuto con fuerte tendencia a aumentar.
La cantidad mínima de un compresor centrífugo esta limitada principalmente
por el flujo de la última etapa. Como
límite práctico se puede emplear 340 pies cúbicos por minuto en modelos de
carcasa con participación horizontal.
PARALELO ENTRE COMPRESOR ROTATIVO DE TORNILLO Y RECIPROCANTE.
En el medio industrial es muy frecuente encontrarse con la pregunta ¿entre
un compresor de tornillo y uno de pistón cuál es mejor?
La respuesta es inmediata: el uno no es mejor que el otro, cada uno con sus
características de diseño y parámetros de operación se comporta mejor frente al
sistema, y aunque tienen mecanismos y regulación de control diferente las dos
máquinas son confiables.
Para ayudar un poco a seleccionar el compresor más adecuado para satisfacer
las necesidades de la planta, mostramos el siguiente paralelo entre las dos
máquinas.
1. Temperatura de
compresión.
Debido a que el compresor rotatorio de tornillo se encuentra totalmente
embebido de aceite, el aumento de la temperatura del aire comprimido con
respecto a la ambiental es de aproximadamente 39° C a 100 PSIG, cuando en un
compresor recíproco es mayor el aumento de la compresión.
2. Aire a la admisión.
Debido a las tolerancias tan estrechas que se tienen entre los motores del
compresor de tornillo exige una mejor calidad de aire atmosférico. Los fabricantes tienen la opción de ofrecer
un filtro de admisión de alta eficiencia para remover las partículas finas que
se encuentran en suspensión en el aire de admisión.
3. Unidad compresora
El compresor rotatorio de tornillo se ofrece como paquete compacto el cual
ocupa menos área para la instalación que un compresor reciprocante de la misma
capacidad.
4. Mantenimiento.
Es muy arriesgado decir cual genera más costos de mantenimiento, ya que
depende del tipo de planta y la aplicación. Algunas diferencias son:
En el
compresor reciprocante se encuentran más partes en movimiento y en contacto que
prestan desgastes, que hay necesidad de inspeccionar con mayor frecuencia, pero
no necesita mano especializada. Además,
debido a que trabaja a bajas revoluciones se logra una vida alta de las partes,
combinado con una buena lubricación.
Los
compresores de tornillos se presentan menos partes en movimiento e inspección
ya que el desgaste por contacto se presenta únicamente en los rodamientos los
cuales trabajan a altas revoluciones.
Existen partes criticas en estos equipos tales como el sistema de
lubricación que exigen un alto cuidado en el aceite, filtro de aceite y
separador aire/ aceite.
5. Instalación.
La mayoría de los fabricantes presenta el compresor de tornillo como una
unidad compacta y montada sobre base, lo que hace que el compresor sea de fácil
transporte e instalación. Además como su
nivel de vibración es bajo no necesita cimientos especiales. Mientras en un compresor reciprocante se
necesita fundación especial, aunque se tenga un balanceo perfecto.
6. Costos.
En unidades por encima de 25 HP el compresor rotatorio de tornillo se hace
con una inversión mucho más favorable que un compresor reciprocante.
7. Sistema de control.
El compresor reciprocante exige un rango de regulación más amplio que en
los de tornillo. En las máquinas de
pistón el rango es de 25 PSIG, mientras en los tornillos es de 3 PSIG, lo que
significa un consumo de potencia mayor, los consumos de potencia hay que evaluarlos
de acuerdo a la eficiencia de la máquina, y al parámetro anterior que da una
base del consumo total de energía.
MANTENIMIENTO
El tema se centralizará en los compresores reciprocantes y rotatorios de
tornillos, puesto que son los más comunes en las instalaciones de aire y
haciendo un gran énfasis en los compresores reciprocantes.
El mantenimiento de cualquier máquina se puede describir como “la
circunstancia de mantener un equipo en un estado particular o condición de
operación”. Esto se diferencia de las
reparaciones, ya que estas consisten en la restauración de un equipo a
condición anterior u original de “como nuevo”.
Un compresor es en general:
1. Un respirador de
aire: Necesita aire fresco y limpio.
2. Un consumidor de
energía: Necesita energía eléctrica
adecuada.
3. Un generador de
calor: Necesita un adecuado suministro
de enfriador.
4. Un generador de agua
condensada: Necesita drenajes.
5. Un usuario de aceite:
Necesita un lubricante de calidad y en cantidad apropiada.
6. Un vibrador: Necesita
fundaciones y tuberías apropiadas.
En un clima
monetario actual, se hace énfasis en la economía de operación y la reducción de
los costos generales fijos de los compresores.
Los fabricantes de este tipo de máquinas diseñan y construyen máquinas
que cumplen con los requisitos reales mucho más estrecho, lo que hace que el
mantenimiento y la correcta operación tomen mayor importancia.
Se tiene
cierto concepto ideal sobre lo que el mantenimiento de compresores debe
ser. El mantenimiento por parte del
usuario esta limitado en general por el presupuesto, el personal disponible, la
destreza de dicho personal, los requerimientos de producción, etc. Siendo en
muchos casos no estar relacionado con lo que el compresor requiere, y queda
limitado a lo que el usuario puede hacer, convirtiendo entonces en un
compromiso y llegan a un punto medio entre el ideal y la falta absoluta de
resultados.
El
mantenimiento es una inversión en la continuación de la operación económica del
compresor. El segundo beneficio más
importantes la continuidad de la operación y un mínimo de interrupción no
programada de la operación y reparaciones de emergencia. Cabe anotar en este
instante que el reemplazo de piezas rotas conduce al manejo de crisis.
De los
planteamientos hechos anteriormente puede surgir la pregunta ¿cómo puede
entonces un ingeniero de planta o un superintendente de mantenimiento enfocar
el problema de la programación y ejecución del mantenimiento de los
compresores?
A. Hacer un inventario de los
compresores instalados.
1. Cantidad,
localización en planta, tipo de compresor.
2. Determinar el ciclo
de trabajo, tiempo cargando vs. tiempo descargando de cada compresor.
B. Determinar la
disponibilidad de capacidad de aire en reserva en cada área deservicio.
1. Evaluar los efectos
de una interrupción de la operación en cada área para predecir el aspecto de
crisis de un compresor que esté temporalmente fuera de servicio.
2. A partir de estos
efectos, se podrá establecer áreas críticas y asignar prioridades en los
programas de mantenimiento.
C. Determinar requerimientos diarios
normales de cada unidad.
1. Aceite.
2. Chequeos visuales y
audibles.
3. Establecer hoja de
registro de rutina para ser llevada por las personas responsables de la
máquina.
4. Revisar las hojas
conjuntamente con el personal.
5. Planear con
anticipación como resultado de estas de registro: piezas en existencia,
reemplazamiento de piezas, chequeos periódicos, etc.
Como
complemento a los aspectos anteriores miremos los siguientes puntos que aunque
inicialmente no se consideran dentro los parámetros de mantenimiento, si
influyen directamente en los equipos. En
primer lugar está la localización del compresor. El costo de espacio actualmente es alto en
cualquier planta. Sin embargo, una
localización inadecuada por ahorrar área es una falsa economía. Debe haber suficiente espacio alrededor y por
encima de la unidad para hacer el trabajo de rutina diaria. Se debe dejar espacio también para: adecuada
recirculación del aire con el fin de evitar sobrecalentamientos del motor y de
otros dispositivos eléctricos sensibles como también del aire de admisión. Si la unidad se instala en un sitio donde es
difícil encontrarla, verla o moverla alrededor de ella, el personal de
mantenimiento hallará una excusa para evitarla, es una reacción humana normal.
En segundo
lugar está el filtro de aire de entrada.
Un compresor de aire es un respirador.
Si se le suministra aire sucio, húmedo y cargado de abrasivos entonces
la vida útil de los elementos internos del compresor se acortarán
considerablemente. Ponga el filtro de
admisión en un lugar limpio, pero localícelo donde sea accesible para servicio
conveniente.
El compresor
prestará un mejor servicio si:
1. Lo mantiene limpio.
2. Lo mantiene
adecuadamente enfriado.
3. Lo mantiene
debidamente aceitado.
En cuanto a
lubricación se puede hacer los siguientes comentarios:
1. Seleccione un aceite
que cumpla las especificaciones del fabricante del compresor. Consulte el manual de instrucciones para las
especificaciones exactas.
2. Lleve registros sobre
cuanto usa y cuando se hacen los cambios.
Los
registros deben ser los más sencillos posible.
En las unidades pequeñas enfriados por aire reciprocante, una simple
etiqueta fijada a la unidad es suficiente.
Para las
unidades más grandes y enfriadas por agua se deben llevar un registro mas
elaborado. Sin embargo no se deben
llevar demasiado pesados con datos incompresibles. El propósito de los registros es establecer
el reconocimiento exacto de las funciones de mantenimiento periódico y llevar
un historial con él, con el agua se puede proyectar el mantenimiento futuro.
En resumen,
el mantenimiento de los compresores se realiza mejor si tiene en cuenta las
siguientes sugerencias:
1. Ubique la unidad en
un área accesible.
2. Manténgala limpia por
dentro y por fuera.
3. Manténgala
enfriada. Lleve control del agua de
enfriamiento. Si la unidad es enfriada
por agua.
4. Manténgala
lubricada. Controle la cantidad y la
calidad del aceite.
5. Lleve registro del
tipo que le convenga a sus necesidades.
Le ayudará a determinar los intervalos de mantenimiento preventivo.
6. Concéntrese en lo que
usted realmente puede ser con los recursos disponibles.
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