1. Introducción e Importancia

Usos del aire comprimido: La compresión de gases es fundamental en la industria y tiene numerosos usos prácticos, como la operación de motores y herramientas neumáticas, el inflado de neumáticos, el rociado de pintura y la elevación de líquidos.

Aplicaciones a alta presión: Es esencial para el transporte de combustibles gaseosos en gasoductos y en la industria química para la fabricación de plásticos, donde se alcanzan presiones muy altas (por ejemplo, hasta 2,465 kgf/cm²).

2. Tipos de Compresores

Los compresores se clasifican en dos tipos generales:

• Movimiento alternativo (de cilindro y émbolo).
• Movimiento rotatorio (de acción directa o centrífuga), que son los que predominan en la práctica.

3. Trabajo de un Compresor (Termodinámica)

Compresores rotatorios: Se consideran sistemas de flujo constante y estado estable. El trabajo para un proceso adiabático es W = -ΔH.

Compresores alternativos: El trabajo realizado sobre el gas (trabajo de aspirar, comprimir y descargar) está representado por el área encerrada en un diagrama de presión-volumen (pV). Ecuación de trabajo (isentrópico): Para un gas ideal en un proceso isentrópico (ΔK=0), el trabajo se calcula mediante la fórmula: W=\frac{kp_{1}V_{1}^{\prime}}{1-k}\left[\left(\frac{p_{2}}{p_{1}}\right)^{\frac{k-1}{k}}-1\right].

4. Curvas de Compresión Ideales

El trabajo requerido para hacer funcionar un compresor disminuye a medida que se reduce el valor del exponente n.

Compresión isentrópica (pV^k=C): Requiere mayor cantidad de trabajo que la isotérmica, ya que no se transmite calor al exterior y el gas sale con un aumento de energía interna.

Compresión isotérmica (pV=C): Es el proceso ideal. En este proceso, se extrae todo el calor equivalente al trabajo de compresión, y el gas fluye con la misma energía interna que tenía al entrar, requiriendo el menor trabajo.

Compresión politrópica (pVⁿ=C, con n

5. Eficiencia Volumétrica

Definición: Es la relación entre el volumen real de gas admitido y el volumen de desplazamiento del pistón (V_D).

Espacio muerto (V₃): La eficiencia volumétrica disminuye con el aumento del espacio muerto (volumen residual de gas en el cilindro), lo que reduce la cantidad de gas que se puede descargar.

Control de capacidad: Esta característica se utiliza para controlar la descarga de un compresor, incrementando el espacio muerto cuando se desea reducir la capacidad.

6. Compresión Múltiple (por Etapas)

Necesidad: Se utiliza para contrarrestar la disminución en la capacidad de descarga a altas relaciones de presión.

Ventajas: Permite ahorrar potencia al enfriar el gas entre etapas y evita que el gas se descargue a temperaturas excesivamente altas, lo que podría arruinar la lubricación o causar explosiones.

7. Aire Libre

Concepto: Se refiere al aire en condiciones atmosféricas normales en una localidad geográfica determinada.

Efecto de la altitud: El rendimiento de un compresor (la masa de aire que suministra y la presión de descarga) varía con la altitud debido a los cambios en la presión y temperatura atmosféricas.

8. Introducción a los Compresores

• Los compresores son fundamentales en la industria para elevar la presión de gases.
• Aplicaciones: herramientas neumáticas, gasoductos, procesos químicos, refrigeración, turbinas de gas, etc.
• Se enfocan principalmente en la compresión de aire, pero los principios aplican a otros gases y vapores.

9. Tipos de Compresores

• Alternativos (de pistón): Compresión mediante movimiento alternativo de un pistón.
• Rotativos:
  • De flujo radial (centrífugos): Para presiones medias-altas.
  • De flujo axial: Para grandes caudales.
  • De paletas deslizantes y de tornillo/lóbulo: Desplazamiento positivo.

10. Trabajo de Compresión

• Se modela como un sistema de flujo constante.
• Para un proceso adiabático y gas ideal:

11. Aire Libre y Condiciones Ambientales

• El “aire libre” se refiere a condiciones atmosféricas estándar.
• La presión y temperatura varían con la altitud, afectando el desempeño del compresor.
• Se incluyen gráficos de variación de presión con la altitud (NASA).

12. Velocidades de Pistón y Desplazamiento

• Velocidades típicas: desde 350 hasta más de 700 pies/min.
• Volumen de desplazamiento:

13. Clasificación y Aplicaciones Industriales

• Turbocompresores: centrífugos, axiales, mixtos. Usados en turbinas de gas, refinerías, químicos.
• Compresores alternativos: para altas presiones (hasta 8000 bar). Usados en petroquímica, criogénesis.
• Compresores rotativos de desplazamiento positivo: paletas, tornillo, lóbulos. Usados en vacío, gases especiales.

14. Ventajas Comparativas

• Turbocompresores vs. alternativos: menor mantenimiento, menos vibración, mayor caudal.
• Centrífugos vs. axiales: más robustez, mayor estabilidad, mejor para presiones altas.
• Axiales vs. centrífugos: mejor rendimiento en diseño, menor tamaño, mayor caudal.
• Desplazamiento positivo vs. turbocompresores: ideales para vacío y presiones muy altas.

15. Conclusiones

• El diagrama convencional de un compresor alternativo no es un ciclo termodinámico.
• La compresión isotérmica es ideal para minimizar el trabajo.
• El enfriamiento interetapas es clave para la eficiencia en compresión múltiple.
• La selección del compresor depende de presión, caudal, temperatura y aplicación específica.