Compresores: Fundamentos y Clasificación
Los compresores son máquinas diseñadas para aspirar aire a presión atmosférica y comprimirlo, confiriéndole una presión superior. Son las máquinas productoras de aire comprimido.
Existen varios tipos de compresores, y la elección depende de las necesidades y características de utilización:
Tipos de Compresores
Compresores de Desplazamiento Fijo
- Alternativos (o Reciprocantes): A pistón, a membrana.
- Rotativos: A paletas, a tornillo, Roots.
Compresores de Desplazamiento Variable
- Turbo compresores: Axiales y radiales.
Optimización de la Rentabilidad por Etapas
Una buena rentabilidad del equipo compresor se obtiene trabajando en los siguientes rangos de presión, de acuerdo al número de etapas:
- Hasta 3,4 bar: Una etapa.
- 10-14 bar: Dos etapas.
- Más de 14 bar: Tres etapas o más.
Clasificación Detallada de Compresores Reciprocantes
Compresores a Membrana
Son de construcción sencilla y consisten en una membrana accionada por una biela montada sobre un eje motor excéntrico. Este mecanismo genera un movimiento de vaivén en la membrana, variando el volumen de la cámara de compresión donde se alojan las válvulas de admisión y descarga, accionadas automáticamente por la acción del aire.
Permiten la producción de aire comprimido absolutamente exento de aceite, ya que este no entra en contacto con el mecanismo de accionamiento, resultando en aire de gran pureza. Se utilizan en medicina y ciertos procesos químicos donde se requiera aire sin vestigios de aceite y de alta pureza. Generalmente, no son la opción principal para uso industrial general.
Compresores a Pistón
De Simple Efecto
Cuando un pistón es de simple efecto, trabaja sobre una sola cara, dirigida hacia la cabeza del cilindro. La cantidad de aire desplazado es igual a la carrera multiplicada por la sección del pistón.
De Doble Efecto
El pistón de doble efecto trabaja sobre sus dos caras, concretando dos cámaras de compresión en el cilindro. El volumen generado es igual a dos veces el producto de la sección del pistón por la carrera. Sin embargo, hay que tener en cuenta el vástago, que ocupa un espacio no disponible para el aire; por consiguiente, los volúmenes creados por las dos caras del pistón no son iguales.
Diferencia Fundamental entre Bomba y Compresor
Ambos dispositivos tienen una función similar: absorben un fluido y lo expulsan con mayor presión que la inicial.
Diferencia Básica
- Bomba: Sirve para líquidos, que son fluidos incompresibles. El volumen y la masa de entrada y salida son iguales; solo aumenta la presión del fluido de salida.
- Compresor: Trabaja con gases, que sí se pueden comprimir. Las masas de entrada y salida son iguales, pero el fluido de entrada posee un volumen alto con presión baja, y el fluido de salida tiene un volumen bajo con presión alta.
Procedimiento del Diagrama Indicador del Compresor
El ciclo se describe mediante puntos y procesos (donde 3-2 y 4-3 son procesos isobáricos, y 4-3 y 2-1 son procesos adiabáticos, aunque la notación estándar suele referirse a los procesos termodinámicos del ciclo).
Cuando el pistón está en el PMS (Punto Muerto Superior), el volumen de la cámara de compresión no es cero. Este espacio/volumen se denomina volumen nocivo (Vn) o volumen muerto, y su función es permitir la acción de las válvulas en la tapa del cilindro.
El ciclo se desarrolla así:
- Cuando el pistón se encuentra en el punto 4 (PMS), comienza a descender. El aire correspondiente al $V_n$ se expande hasta que la presión se iguala a la atmosférica. En este punto (3), se abre la válvula de admisión.
- El pistón sigue bajando y entra el volumen aspirado hasta que alcanza el PMI (Punto Muerto Inferior) (punto 2).
- En el PMI, comienza la carrera ascendente del pistón en una compresión adiabática hasta llegar al punto 1.
- En el punto 1, la presión abre la válvula de escape, y el aire sale a presión constante hasta llegar al punto 4. A partir de este punto, el ciclo se repite $n$ veces por minuto.
Definiciones Adicionales
- El pistón posee hendiduras donde se alojan los aros del pistón, los cuales ayudan a mantener hermética la cámara de compresión y a minimizar la fricción.
- L: Es la carrera del pistón y se define como la distancia entre el PMS y el PMI.
- Vn: Es el volumen de la cámara de compresión que existe cuando el pistón está en el MPS (este volumen no es 0) y tiene como fin accionar las válvulas de la tapa del cilindro.
Compresión en Dos Etapas
En el proceso de compresión adiabática ideal, la temperatura se eleva excesivamente, lo que provoca una disminución de la potencia del motor.
Un método práctico para reducir las pérdidas de potencia originadas por el aumento de temperatura es comprimir el gas a una presión inferior, disipar la mayor cantidad de calor (generalmente mediante un intercambiador de calor) para devolverlo a una temperatura cercana a la original, y luego comprimirlo hasta la presión final. Esto permite obtener el gas a alta presión pero frío.
Al aumentar el número de etapas, la compresión se aproxima a la isoterma. Para cada nivel de presión, existe un número óptimo de etapas.
Diferencia entre Compresor de Doble Etapa y Doble Efecto
No son lo mismo:
- Compresor de Doble Etapa: Funciona con dos pistones. El primer pistón (etapa baja) toma aire, lo comprime, lo refrigera y lo envía al segundo pistón (etapa alta) para volver a comprimirlo.
- Compresor de Doble Efecto: Realiza el doble de trabajo que un compresor de una etapa, ya que el pistón comprime por ambos lados, generando una doble compresión en un solo cilindro. Su funcionamiento es análogo al de un motor de dos tiempos.