- Bombas
- Descripción de bombas de
desplazamiento positivo - Bombas
alternativas - Descripción de
bombas de desplazamiento no positivo - Problemas de funcionamiento de
las bombas - Compresores
- Descripción de
compresores de desplazamiento positivo - Descripción de
compresores de desplazamiento no positivo - Ventajas y desventajas de los
compresores - Bibliografía
Toda máquina que realiza trabajo con la
finalidad de mantener un fluido en movimiento o
provocar el desplazamiento o el flujo del mismo se podría
ajustar al nombre de bomba o compresor, los que suelen evaluarse
por cuatro
características:
- Cantidad de fluido descargado por unidad de
tiempo - Aumento de la presión
- Potencia
- Rendimiento
El efecto conseguido por la mayoría de los
dispositivos de bombeo es el de aumentar la presión
del fluido, si bien algunos de ellos comunican al fluido un
aumento de su energía cinética o una
elevación de su nivel geodésico.
Las bombas en general
son utilizadas parea líquidos. Estas trabajan
simultáneamente con la presión atmosférica
de forma que esta impulse el liquido hacia el interior de la
bomba por la depresión
que tiene lugar en el centro de la misma.
Las bombas empleadas para gases y
vapores suelen llamarse compresores. Los
compresores poseen una tubería de succión por donde
es aspirado el gas que dentro
del compresor reduce su volumen y aumenta
su presión.
Siempre que tratemos temas como procesos
químicos, y de cualquier circulación de fluidos
estamos, de alguna manera entrando en el tema de
bombas.
El funcionamiento en si de la bomba será el de un
convertidor de energía, o sea, transformara la
energía mecánica en energía cinética,
generando presión y velocidad en
el fluido.
Existen muchos tipos de bombas para diferentes
aplicaciones.
Los factores más importantes que permiten escoger
un sistema de bombeo
adecuado son: presión última, presión de
proceso,
velocidad de bombeo, tipo de gases a bombear (la eficiencia de
cada bomba varía según el tipo de gas).
Las bombas se clasifican en tres tipos
principales:
- De émbolo alternativo
- De émbolo rotativo
- Rotodinámicas
Los dos primeros operan sobre el principio de
desplazamiento positivo y el tercer tipo debe su nombre a un
elemento rotativo, llamado rodete, que comunica velocidad al
líquido y genera presión, estas son de
desplazamiento no positivo.
Se dice que una bomba es de desplazamiento positivo,
cuando su órgano propulsor contiene elementos
móviles de modo tal que por cada revolución
se genera de manera positiva un volumen dado o cilindrada,
independientemente de la contrapresión a la salida. En
este tipo de bombas la energía mecánica recibida se transforma
directamente en energía de presión que se transmite
hidrostáticamente en el sistema
hidráulico.
En las bombas de desplazamiento positivo siempre debe
permanecer la descarga abierta, pues a medida que la misma se
obstruya, aumenta la presión en el circuito hasta
alcanzar valores que
pueden ocasionar la rotura de la bomba; por tal causal
siempre se debe colocar inmediatamente a la salida de la
bomba una válvula de alivio o de seguridad. con
una descarga a tanque y con registro de
presión.
Se dice que una bomba es de desplazamiento No positivo
cuando su órgano propulsar no contiene elementos
móviles; es decir, que es de una sola pieza, o de varias
ensambladas en una sola.
A este caso pertenecen las bombas centrífugas,
cuyo elemento propulsor es el rodete giratorio. En este tipo de
bombas, se transforma la energía mecánica recibida
en energía hidro-cinética imprimiendo a las
partículas cambios en la proyección de sus
trayectorias y en la dirección de sus velocidades. Es muy
importante en este tipo de bombas que la descarga de las mismas
no tenga contrapresión pues si la hubiera, dado que la
misma regula la descarga , en el caso límite que la
descarga de la bomba estuviera totalmente cerrada, la misma
seguiría en movimiento no generando caudal alguno
trabajando no obstante a plena carga con el máximo
consumo de
fuerza
matriz.
Por las características señaladas, en los
sistemas
hidráulicos de transmisión hidrostática de potencia
hidráulica nunca se emplean bombas de desplazamiento
NO positivo.
DESCRIPCIÓN DE BOMBAS DE DESPLAZAMIENTO
POSITIVO
BOMBAS ROTATORIAS
Las bombas rotatorias, que generalmente son unidades de
desplazamiento positivo, consisten de una caja fija que contiene
engranajes, aspas, pistones, levas, segmentos, tornillos, etc.,
que operan con un claro mínimo. En lugar de "arrojar" el
liquido, como en una bomba centrífuga, una bomba rotatoria
lo atrapa, lo empuja contra la caja fija. La bomba rotatoria
descarga un flujo continuo. Aunque generalmente se les considera
como bombas para líquidos viscosos, las bombas rotatorias
no se limitan a este servicio solo,
pueden manejar casi cualquier liquido que este libre de
sólidos abrasivos.
Tipos de bombas rotatorias:
Bombas de Leva y Pistón
También llamadas "Bombas de émbolo
rotatorio", consisten de un excéntrico con un brazo
ranurado en la parte superior (Fig. 1). La rotación
de la flecha hace que el excéntrico atrape el liquido
contra la caja. Conforme continúa la rotación, el
liquido se fuerza de la caja a través de la ranura a la
salida de la bomba.
Fig. 1
Bombas de engranajes externos
Estas constituyen el tipo rotatorio mas simple. Conforme
los dientes de los engranajes se separan en el lado de
succión de la bomba (Fig. 2), el liquido llena el
espacio entre ellos. Este se conduce en trayectoria circular
hacia fuera y es exprimido al engranar nuevamente los
dientes.
Fig. 2
Bombas de engranajes internos
Este tipo (Fig. 3) tiene un motor con dientes
cortados internamente y que encajan en un engrane loco, cortado
externamente. Puede usarse una partición en forma de luna
creciente para evitar que el liquido pase de nuevo al lado de
succión de la bomba.
Fig. 3
Bombas lobulares
Éstas se asemejan a las bombas del tipo de
engranajes en su forma de acción,
tienen dos o mas motores cortados
con tres, cuatro, o mas lóbulos en
cada motor (Fig. 4, 5 y 6). Los motores se
sincronizan para obtener una rotación positiva por medio
de engranajes externos. Debido al que el liquido se descarga en
un numero mas reducido de cantidades mayores que en el caso de la
bomba de engranajes, el flujo del tipo lobular no es tan
constante como en la bomba del tipo de engranajes.
Bombas de tornillo
Estas bombas tienen de uno a tres tornillos roscados
convenientemente que giran en una caja fija. Las bombas de un
solo tornillo (Fig. 7) tienen un motor en forma de espiral
que gira excéntricamente en un estator de hélice
interna o cubierta. Las bombas de dos y tres tornillos (Fig. 8
y 9) tienen uno o dos engranajes locos, respectivamente, el
flujo se establece entre las roscas de los tornillos, y a lo
largo del eje de los mismos.
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Bombas de aspas
Las bombas de aspas oscilantes (Fig. 10) tienen
una serie de aspas articuladas que se balancean conforme gira el
motor, atrapando al liquido y forzándolo en el tubo de
descarga de la bomba. Las bombas de aspas deslizantes (Fig.
11) usan aspas que se presionan contra la carcaza por la
fuerza centrífuga cuando gira el motor. El liquido
atrapado entre las dos aspas se conduce y fuerza hacia la
descarga de bomba.
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Las bombas alternativas o reciprocantes son
también unidades de desplazamiento positivo descargan una
cantidad definida de liquido durante el movimiento del
pistón o émbolo a través de la distancia de
carrera.
Tipos de bombas alternativas
El flujo de descarga de las bombas centrífugas y
de la mayor parte de las bombas rotatorias es continuo. Pero en
las bombas alternativas el flujo pulsa, dependiendo del carácter de la pulsación del tipo de
bomba y de que esta tenga o no una cámara de
colchón.
Igual que otras bombas, las bombas alternativas no
succionan los líquidos. Reducen solamente la
presión en la cámara de succión y la
presión externa, generalmente la atmosférica,
empuja el liquido en la bomba. Para cualquier bomba con una
línea de succión de tamaño dado, la
capacidad o velocidad máxima viene fijada por la columna
de succión neta positiva.
Existen básicamente dos tipos de bombas
alternativas: las de acción directa, movidas por vapor y
las bombas de potencia.
Bombas de acción directa
En este tipo, una varilla común de pistón
conecta un pistón de vapor y uno de liquido (Fig.
12) o émbolo (Fig. 13). Las bombas de
acción directa se construyen, simplex (un
pistón de vapor y un pistón de liquido
respectivamente) y duplex (dos pistones de vapor y dos de
liquido).
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Fig. 12
Las bombas de acción directa horizontales
simples y duplex, han sido por mucho tiempo muy
usadas para diferentes servicios,
incluyendo alimentación de calderas en
presiones de bajas a medianas, manejo de lodos, bombeo de
aceite y
agua, etc. Se
caracterizan por la facilidad de ajuste de columna, velocidad y
capacidad. Al igual que todas las bombas alternativas, las
unidades de acción directa tienen un flujo de descarga
pulsante.
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Bombas de potencia
Estas (Fig. 14 a 17) tienen un
cigüeñal movido por una fuente externa (generalmente
un motor eléctrico), banda o cadena. Frecuentemente se
usan engranajes entre el motor y el cigüeñal para
reducir la velocidad de salida del elemento motor.
El extremo liquido que puede ser del tipo de
pistón o émbolo desarrollara una presión
elevada cuando se cierra la válvula de descarga. Por esta
razón es común el proporcionar una válvula
de alivio para descarga, con objeto de proteger la bomba y su
tubería. Las bombas de acción directa se detienen
cuando la fuerza total en el pistón del agua iguala a la
del pistón de vapor; las bombas de potencia desarrollan
una presión muy elevada antes de detenerse. Esta es varias
veces la presión de descarga normal de las bombas de
potencia.
Las bombas de potencia se encuentran particularmente
bien adaptadas para servicios de alta presión y tienen
algunos usos en la alimentación de calderas, bombeo en
líneas de tuberías, procesos de obtención de
petróleos y aplicaciones similares.
Las bombas de potencia en los primeros diseños
eran generalmente movidas por vapor. En el presente, sin embargo,
es mas común el movimiento por motor eléctrico o de
combustión interna debido a que este
arreglo da una instalación mas económica compacta y
requiere menos mantenimiento.
Las bombas de potencias del tipo émbolo de alta
presión pueden ser horizontales o verticales (Fig. 15 y
17).
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Bombas de potencia de baja capacidad
Estas unidades se conocen también como bombas de
capacidad variable, volumen controlado y de proporción. Su
uso principal es para controlar el flujo de pequeñas
cantidades de liquido para alimentar calderas, equipos de
procesos y unidades similares. Como tales ocupan un lugar muy
importante en muchas operaciones
industriales en todo tipo de plantas.
Fig. 18
La capacidad de estas bombas puede variarse cambiando la
longitud de la carrera. La unidad en la figura 18 usa un
diafragma para bombear el liquido que se maneja, pero el
diafragma esta accionado por un émbolo que desplaza aceite
dentro de la cámara de la bomba. Cambiando la longitud de
la carrera del émbolo se varia el desplazamiento del
diafragma.
Bombas de diafragma
La bomba combinada de diafragma y pistón (Fig.
18) generalmente se usa solo para capacidades
pequeñas. Un diafragma de material flexible no
metálico puede soportar mejor la acción corrosiva o
erosiva que las partes metálicas de algunas bombas
alternativas. Las bombas de diafragma (Fig. 19 y 20) se
usan para gastos elevados
de líquidos, ya sea claros o conteniendo sólidos.
También son apropiados para pulpas gruesas, drenajes,
lodos, soluciones
ácidas y alcalinas, así como mezclas de
agua con sólidos que pueden ocasionar erosión.
La bomba de rocío de diafragma de alta velocidad y
pequeño desplazamiento (Fig. 21) esta provista de
una succión del tipo discoidal y válvulas
de descarga. Ha sido diseñada para manejar productos
químicos.
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Fig. 20 Fig. 21
Otros diseños
Existen también un gran numero de otros tipos de
bombas alternativas, diseñadas para servicios
especializados. Muchas se usan en sistemas hidráulicos
industriales, de lubricación, de manejo de
químicos, y similares.
DESCRIPCIÓN DE BOMBAS DE
DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO
Bombas
centrífugas
Las industrias
químicas son usuarios principales de bombas de todos los
tipos, pero en particular de las centrífugas.
Las bombas centrífugas, también
denominadas rotativas, tienen un motor de paletas giratorio
sumergido en el liquido. El liquido entra en la bomba cerca del
eje del motor, y las paletas lo arrastran hacia sus extremos a
alta presión. El motor también proporciona al
liquido una velocidad relativamente alta, que puede transformarse
en presión en una parte estacionaria de la bomba, conocida
como difusor. En bombas de alta presión pueden emplearse
varios motores en serie, y los difusores posteriores a cada motor
pueden contener aletas de guía para reducir poco a poco la
velocidad del liquido. En las bombas de baja presión, el
difusor suele ser un canal en espiral cuya superficie transversal
aumente de forma gradual para reducir la velocidad. El motor debe
ser cebado antes de empezar a funcionar, es decir, debe estar
rodeado de liquido cuando se arranca la bomba.
La gran holgura ofrecida en este tipo de bombas al paso
de los fluidos, hace que estas resulten adecuadas para la
manipulación de fluidos que lleven en suspensión
partículas sólidas, y además permiten el
estrangulado o aun el cierre temporal de la válvula de la
tubería de descarga (de impulsión). En este caso
extremo, el fluido simplemente gira en el interior de la caja y
absorbe la energía cedida por el motor. La
absorción total de la energía eleva
rápidamente la temperatura
del fluido y la de la bomba lo suficiente para poder causar
el desajuste de las partes móviles en poco tiempo. En
general las bombas centrífugas son mas fáciles de
construir que las bombas alternativa de desplazamiento positivo,
o las rotatorias. La bomba centrífuga resulta
especialmente mas apta para la manipulación de
líquidos viscosos que la bomba alternativa, aunque es
menos adecuada que la bomba rotatoria.
Las ventajas primordiales de una bomba centrífuga
son la simplicidad, el bajo costo inicial, el
flujo uniforme ( sin pulsaciones), el pequeño espacio
necesario para su instalación, los costos bajos de
mantenimiento, el funcionamiento silencioso y su capacidad de
adaptación para su uso con impulsos por motor o turbina.
Además tiene gran capacidad por el poco rendimiento a bajo
flujo, y por eso su empleo esta
limitado a las grandes plantas. No exigen gran espacio, y para
líquidos no viscosos los rendimientos son comparables a
los de otros tipos para mayores capacidades.
Tipos de bomba centrífugas
Bombas voluta
(Fig. 22) aquí el impulsor descarga en una
caja espiral que se expande progresivamente, proporcionada en tal
forma que la velocidad del líquido se reduce en forma
gradual. Por este medio, parte de la energía de velocidad
del liquido se convierte en presión estática.
Bombas difusor
(Fig. 23) los paletas direccionales estacionarios
rodean el motor
o impulsor en una bomba del tipo difusor. Esos pasajes
con expansión gradual cambian la dirección del
flujo del liquido y convierten la energía de velocidad a
columna de presión.
Bombas turbina
También se conocen como bombas de vórtice,
periféricas y regenerativas; en este tipo se producen
remolinos en el liquido por medio de los paletas a velocidades
muy altas dentro del canal anular en el que gira el impulsor. El
liquido va recibiendo impulsos de energía (Fig.
24). La bomba del tipo difusor de pozo profundo, se llaman
frecuentemente bombas turbinas.
Bombas de flujo mixto y axial
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Las bombas de flujo mixto (Fig. 25) desarrollan
su columna parcialmente por fuerzas centrífugas y
parcialmente por el impulsor de los paletas sobre el liquido. El
diámetro de descarga de los impulsores es mayor que el de
entrada. Las bombas de flujo axial (Fig. 26) desarrollan
su columna por la acción de impulso o elevación de
las paletas sobre el liquido. El diámetro del impulsor es
el mismo en el lado de succión y en el de descarga. Una
bomba de impulsor es un tipo de bomba axial.
Clasificación según
aplicación
Aun cuando no todas las bombas centrífugas
están clasificadas por un nombre genérico que
designa su aplicación final, un gran numero de ellas
incluyen este termino relacionado con su servicio. Así,
las bombas centrífugas pueden llamarse de
alimentación de calde4ra, de propósito general, de
sumidero, pozo profundo, de refinería, de
circulación, etc. En general, cada una tiene
características especificas de diseño,
así como los materiales que
el constructor recomienda para el servicio particular.
Hay aun otra subdivisión basada en las
características estructurales y generales; tales como
unidades horizontales y verticales, diseños de
acoplamiento directo, impulsores de succión simple y
doble, carcasas divididas horizontalmente, etc.
Diseños normales típicos de
bombas
Bombas de propósito general: estas (Fig.
27) están construidas generalmente para manejar
líquidos frescos y limpios a temperaturas ambiente o
moderadas. Generalmente de un solo paso, estas unidades pueden
ser de carcasa divida y aditamentos normales; igualmente buenas
para un gran numero de servicios. Algunas son de varios
impulsores, mientras que otras manejan líquidos que
contienen sólidos en suspensión.
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Bombas múltiples
Las unidades horizontales de este diseño (Fig.
28), están construidas con carcasa ya sea del tipo
barril o del tipo horizontalmente dividido. La carcasa del tipo
barril se usa mas comúnmente en diseños de alta
presión con cuatro o mas pasos, mientras que la carcasa
dividida se usa para presiones que varían desde bajas
hasta moderadamente altas con cualquier numero de
pasos.
Bombas acopladas directamente
Estas (Fig. 29) combinan la bomba y su motor en
una sola unidad, proporcionando una bomba compacta, maciza y
eficiente.
Bombas inatascables
Pueden o no tener impulsores de paleta, y estas unidades
manejan líquidos de drenaje, de proceso en fabricas de
papel, líquidos viscosos y otros similares que contengan
sólidos.
Bombas turbinas regenerativas
Estas tienen limitaciones perfectamente definidas en
cuanto a columna y capacidad mas allá de las cuales no
puede competir económicamente con la bomba
centrífuga usual. Sin embargo, dentro de su margen de
aplicación tienen ventajas apreciables, incluyendo buenas
características de succión, capacidad muy elevada y
buena eficiencia.
PROBLEMAS DE FUNCIONAMIENTO DE LAS
BOMBAS
Para obtener los resultados deseados, las
características de las bombas deben ser compatibles con
las condiciones reales de funcionamiento. Antes de aplicar una
bomba, conviene hacer un análisis de las características del
sistema de funcionamiento, en el cual deben tenerse en cuenta los
siguientes factores:
- Capacidad con descripción de las posibles
variaciones - Presiones máxima y mínima,
pulsaciones y variaciones - Plan completo de las condiciones de
succión - Margen de la temperatura de
funcionamiento - Propiedades del liquido: densidad,
viscosidad,
corrosión, abrasión y
comprensibilidad - Accionamiento y control
- Clasificación del servicio en continuo o
intermitente
Los caracteres mecánicos de las bombas son
impuestos por
las condiciones de la operación, como presiones,
temperaturas, condiciones de succión y liquido bombeado.
Los caracteres hidráulicos son inherentes a cada tipo de
bomba y están influidos por la densidad, viscosidad, tipo
de accionamiento y tipo de control.
El diseño mecánico se basa en la
presión que ha de manejarse y es importante la
revisión de los valores
máximos, cargas de choque y variaciones de presión
antes de elegir la bomba. Los materiales utilizados para las
partes componentes deben determinarse de acuerdo con las
exigencias de resistencia
mecánica, resistencia a la corrosión y a la
erosión o a la combinación de estas. Las
velocidades en los pasajes de la bomba son mucho mas altas que
las que se dan en las tuberías y vasijas de
presión, con la consecuencia de que los efectos corrosivos
o abrasivos del liquido. Es posible que la duración de la
bomba sea muy limitada a causa del alto grado de corrosión
y erosión, y a veces esta justificado el empleo de
materiales resistentes en las zonas criticas. También las
temperaturas por encima de 120º C o por debajo de
–18º C pueden afectar a la construcción. Las temperaturas elevadas
exigen el enfriamiento por agua de los cojinetes y las cajas de
empaquetadura; las bajas temperaturas requieren materiales de
resistencia adecuados a la temperatura de
funcionamiento.
La mayor parte de las dificultades en las bombas
provienen de las incorrectas condiciones de succión mas
que de otra causa. La perdida de succión, la
vaporización, el relleno parcial o la cavitación,
llevan consigo una carga normal sobre la bomba y ocasionan alto
costo de mantenimiento poca duración y funcionamiento
irregular.
Los líquidos limpios fríos y no corrosivos
con acción lubricante no presentan problemas. Los
líquidos no lubricantes, como el propano, y las mezclas
abrasivas, como los catalizadores pulverizados, deben mantenerse
fuera del contacto con las empaquetaduras por un liquido aislante
inyectado en el anillo de engrase o dentro de un casquillo de
inyección para lubricar la empaquetadura y evitar que los
sólidos se incrusten en ella.
La viscosidad del liquido que se bombea afecta
igualmente a la potencia requerida y a la velocidad de bombeo.
Las bombas de vaivén trabajan muy bien los líquidos
viscosos pero pueden ser necesarias válvulas extra de
succión para reducir las perdidas y la bomba puede
funcionar a una velocidad mas baja. Las bombas rotatorias de alta
presión no son económicas para líquidos
extremadamente viscosos. La capacidad y el diseño de las
bombas centrífugas se basan en una viscosidad igual a la
del agua y son muy sensibles al aumento de viscosidad.
Las velocidades relativamente altas conducen a perdidas
por turbulencia.
Un compresor es una máquina que eleva la
presión de un gas, un vapor o una mezcla de gases y
vapores. La presión del fluido se eleva reduciendo el
volumen especifico del mismo durante su paso a través del
compresor. Comparados con turbo soplantes y ventiladores
centrífugos o de circulación axial, en cuanto a la
presión de salida, los compresores se clasifican
generalmente como maquinas de alta presión, mientras que
los ventiladores y soplantes se consideran de baja
presión.
Los compresores se emplean para aumentar la
presión de una gran variedad de gases y vapores para un
gran numero de aplicaciones. Un caso común es el compresor
de aire, que
suministra aire a elevada presión para transporte,
pintura a
pistola, inflamiento de neumáticos, limpieza, herramientas
neumáticas y perforadoras. Otro es el compresor de
refrigeración, empleado para comprimir el
gas del vaporizador. Otras aplicaciones abarcan procesos
químicos, conducción de gases, turbinas de gas y
construcción.
Estructura de los compresores
Los elementos principales de esta estructura
son: motor, cuerpo, tapas, enfriador y árboles. El cuerpo y las tapas del
compresor se enfrían por el agua. Los
elementos constructivos tienen ciertas particularidades. Para
disminuir las perdidas de energía de la fricción
mecánica de los extremos de las placas contra el cuerpo en
este se colocan dos anillos de descarga que giran libremente en
el cuerpo. A la superficie exterior de estos se envía
lubricación. Al girar el motor los extremos de las placas
se apoyan en el anillo de descarga y se deslizan parcialmente por
la superficie interior de estos; los anillos de descarga giran
simultáneamente en el cuerpo.
Al fin de disminuir las fuerzas de fricción en
las ranuras las placas se colocan no radicalmente sino
desviándolas hacia adelante en dirección de la
rotación. El ángulo de desviación constituye
7 a 10 grados. En este caso la dirección de la fuerza que
actúa sobre las placas por lado del cuerpo y los anillos
de descarga se aproxima a la dirección de desplazamiento
de la placa en la ranura y la fuerza de fricción
disminuye.
Para disminuir las fugas de gas a través de los
huelgos axiales, en el buje del motor se colocan anillos de
empacaduras apretados con resortes contra las superficies de las
tapas.
Por el lado de salida del árbol a través
de la tapa, se ha colocado una junta de prensaestopas con
dispositivos tensor de resortes.
Clasificación de los
compresores
Al clasificarse según el indicio constructivo los
compresores volumétricos se subdividen en los de
émbolo y de motor y los de paletas en centrífugos y
axiales. Es posible la división de los compresores en
grupos de
acuerdo con el género de
gas que se desplaza, del tipo de transmisión y de la
destinación del compresor. Estos al igual que las bombas
mencionadas anteriormente pueden clasificarse en dos
grupos:
- Compresores de desplazamiento positivo
- Compresores de desplazamiento no
positivo
DESCRIPCIÓN DE COMPRESORES DE
DESPLAZAMIENTO POSITIVO
COMPRESORES ALTERNATIVOS O DE EMBOLO
El compresor de embolo, de vaivén o de movimiento
alternativo, es una maquina de desplazamiento positivo que
aumenta la presión de un volumen determinado de gas
mediante la reducción de su volumen inicial. La
compresión se verifica por el movimiento de vaivén
de un embolo encerrado en un cilindro. Generalmente, el cilindro
es de dobla efecto y esta accionado por un mecanismo de biela y
manivela. La compresión tiene lugar en ambos extremos del
cilindro, el cual suele llevar una camisa de agua para disparar
el calor
engendrado por la fricción de los anillos del embolo y por
la empaquetadura del vástago y parte del calor de
compresión. La salida del vástago en el cilindro se
cierra con una empaquetadura sin escapes. Se regula la oportuna
salida y entrada del gas en el cilindro mediante válvulas
que se abren según cambia la presión diferencial
entre el interior del cilindro y el sistema gaseoso.
El proceso de compresión puede verificarse en una
sola etapa termodinámica (compresión de una
fase) o dividirse en varias etapas con enfriamiento intermedio
del gas (compresión de varias etapas o multigradual). La
compresión multigradual requiere una maquina mas costosa
que la compresión unifase, pero se utiliza con mas
frecuencia por varias razones: menor consumo de energía,
menor elevación de temperatura del gas dentro del cilindro
y menor diámetro del cilindro.
Los compresores que se utilizan mas comúnmente
para comprimir gases tienen una cruceta a la que se conectan la
biela y la varilla del pistón. Esto proporciona un
movimiento en línea recta para la varilla del
pistón y permite que se utilice un embalaje simple, en la
figura 30 se muestra una
maquina sencilla, de etapa simple, con un pistón de
acción doble. Se pueden utilizar pistones de acción
simple o doble, dependiendo del tamaño de la maquina y el
numero de etapas. En alguna maquinas, se usan pistones de
acción doble, en la primera etapa y de acción
simple, en las posteriores.
En las maquinas de etapas múltiples, hay
enfriadores intermedios entre capa una de estas. Esos
intercambiadores de calor eliminan el calor de la
compresión del gas y reducen su temperatura a
aproximadamente la que existe a la entrada del compresor. Ese
enfriamiento reduce el volumen de gas que va a los cilindros a
alta presión, hace disminuir la energía necesaria
para la compresión y, a presiones elevadas, mantiene la
temperatura dentro de limites de operación seguros.
En la figura 31 se muestra un extremo del
compresor de dos etapas.
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Los compresores con cilindro horizontales (Fig.
31) son los que mas se utilizan, por su capacidad de acceso.
Sin embargo, se construyen también maquinas con cilindros
verticales y otras disposiciones, tales como las de ángulo
recto (uno horizontal y el otro vertical) y en ángulo en
V. Los compresores alternativos, pueden ser del tipo lubricado o
sin lubricar.
Lubricación de compresores
Para la lubricación de los compresores de
émbolo se emplean los mismos métodos
que para las máquinas
de vapor, salvo las altas exigencias de los aceites de engrase a
causa del gran calor radiado por los cilindros de
vapor.
Para el engrase de los cilindros, como para las
máquinas de vapor, se emplean bombas de émbolo buzo
de funcionamiento obligado por la transmisión.
Aún con altas presiones de gas deben procurarse
aceites de poca viscosidad. Un aceite viscoso exige una potencia
innecesariamente grande y hace que las válvulas tengan
más tendencia a pegarse y romperse. Para muy altas
presiones, se emplean, sin embargo, algunas veces los aceites
viscosos para mejora la hermeticidad, aunque la temperatura del
gas sea más baja. A ser posible se utilizara el aceite
para el engrase del cilindro y de la transmisión, pues
ello facilita la recuperación y nuevo empleo del
aceite.
Tipos de compresores Alternativos o de
Émbolo
Compresor de émbolo oscilante
Este es el tipo de compresor más difundido
actualmente. Es apropiado para comprimir a baja, media o alta
presión.
Para obtener el aire a presiones elevadas, es necesario
disponer varias etapas compresoras. El aire aspirado se somete a
una compresión previa por el primer émbolo,
seguidamente se refrigera, para luego ser comprimido por el
siguiente émbolo. El volumen de la segunda cámara
de compresión es, en conformidad con la relación,
más pequeño. Durante el trabajo de
compresión se forma una cantidad de calor, que tiene que
ser evacuada por el sistema refrigeración.
Compresor de membrana
Una membrana separa el émbolo de la cámara
de trabajo; el aire no entra en contacto con las piezas
móviles. Por tanto, en todo caso, el aire comprimido
estará exento de aceite. Estos, compresores se emplean con
preferencia en las industrias alimenticias farmacéuticas y
químicas.
Compresor de émbolo rotativo
Consiste en un émbolo que está animado de
un movimiento rotatorio. El aire es comprimido por la continua
reducción del volumen en un recinto
hermético.
COMPRESORES ROTATORIOS
Se denominan compresores rotatorios a aquellos grupos
que producen aire comprimido por un sistema rotatorio y continuo,
es decir, que empujan el aire desde la aspiración hacia la
salida, comprimiéndolo.
Se distinguen los siguientes tipos:
Compresores de tornillo
Esencialmente se componen de un par de motores que
tienen lóbulos helicoidales de engrane
constante.
La compresión por motores paralelos puede
producirse también en el sentido axial con el uso de
lóbulos en espira a la manera de un tornillo sin fin.
Acoplando dos motores de este tipo, uno convexo y otro
cóncavo, y haciéndolos girar en sentidos opuestos
se logra desplazar el gas, paralelamente a los dos ejes, entre
los lóbulos y la carcaza.
Las revoluciones sucesivas de los lóbulos reducen
progresivamente el volumen de gas atrapado y por consiguiente su
presión, el gas así comprimido es forzado
axialmente por la rotación de los lóbulos
helicoidales hasta 1ª descarga.
Compresores de paletas deslizantes
El motor es excéntrico en relación a la
carcasa o el cilindro, y lleva una serie de aletas que se ajustan
contra las paredes de la carcasa debido a la fuerza
centrífuga.
Este tipo de compresores consiste básicamente de
una cavidad cilíndrica dentro de la cual esta ubicado en
forma excéntrica un motor con ranuras profundas, unas
paletas rectangulares se deslizan libremente dentro de las
ranuras de forma que al girar el motor la fuerza centrifuga
empuja las paletas contra la pared del cilindro. El gas al
entrar, es atrapado en los espacios que forman las paletas y la
pared de la cavidad cilíndrica es comprimida al disminuir
el volumen de estos espacios durante la
rotación.
Compresores soplantes
Se conocen como compresores de doble motor o de doble
impulsor aquellos que trabajan con dos motores acoplados,
montados sobre ejes paralelos, para una misma etapa de
compresión. Una máquina de este tipo muy difundida
es el compresor de lóbulos mayor conocida como "Roots", de
gran ampliación como alimentador de los motores diesel o
compresores de gases a presión moderada. Los motores, por
lo general, de dos o tres lóbulos están conectados
mediante engranajes exteriores. El gas que entra al soplador
queda atrapado entre los lóbulos y la carcaza; con el
movimiento de los motores de la máquina, por donde sale,
no pudieron regresarse debido al estrecho juego
existente entre los lóbulos que se desplazan por el lado
interno.
DESCRIPCIÓN DE COMPRESORES DE
DESPLAZAMIENTO NO POSITIVO
COMPRESORES CENTRÍFUGOS
El principio de funcionamiento de un compresor
centrífugo (Fig. 32) es el mismo que el de una
bomba centrífuga, su diferencial principal es que el aire
o el gas manejado en un compresor es compresible, mientras que
los líquidos con los que trabaja una bomba, son
prácticamente incompresibles. Los compresores
centrífugos pueden desarrollar una presión en su
interior, que depende de la naturaleza y
las condiciones del gas que manejan y es virtualmente
independiente de la carga del procesamiento. Las condiciones que
es preciso tomar en cuenta son:
- La presión barométrica mas
baja - La presión de admisión mas
baja - La temperatura máxima de
admisión - La razón mas alta de calores
específicos - La menor densidad relativa
- El volumen máximo de
admisión - La presión máxima de
descarga
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La mayoría de los compresores centrífugos
funcionan a velocidades de 3.500 RPM (revoluciones por minuto) o
superiores y uno de los factores limitantes es el de la fatiga
del impulsor. Los impulsores de los compresores
centrífugos son por lo común motores
eléctricos o turbinas de vapor o gas, con o sin
engranajes de aumento de velocidad.
En un compresor, como en una bomba centrífuga, la
carga es independiente del fluido que se maneje.
Los compresores centrífugos constan esencialmente
de: caja, volutas, rodetes impulsores, un eje y un sistema de
lubricación.
Las volutas convierten la energía cinética
del gas desarrollada por los impulsores en energía
potencial o presión. La caja es la cubierta en que van
ajustadas las volutas y esta proyectada para la presión a
la que se ha de comprimir el gas.
La caja se construye adaptándola a la
aplicación particular y puede ser de hierro colado,
acero estructural
o fundición de acero.
La compresión de un gas en un compresor
centrífugo requiere con frecuencia un medio de ocluir el
gas para evitar su fuga a la atmósfera o su
contaminación. Existen varios tipos de
oclusores:
- el de cierre mecánico con anillo de
carbón - el gas inerte
- el directo de aceite en el cojinete del compresor y
los de gasto de aceite
Todos están diseñados principalmente como
cierre de funcionamiento y no de paro.
Los compresores centrífugos se utilizan para una
gran variedad de servicios, incluyendo
- enfriamiento y desecación,
- suministro de aire de combustión a hornos y
calderas, - sopladores de altos hornos, cúpulas y
convertidores, - transporte de materiales sólidos,
- procesos de flotación,
- por agitación y aereación, por
ventilación, - como eliminadores y para comprimir gases o
vapor
Compresor Axial
El compresor axial se desarrollo
para utilizarse con turbinas de gas y posee diversas ventajas
para servicios en motores de reacción de la
aviación. Su aceptación por la industria para
instalaciones estacionarias fue lenta; pero se construyeron
varias unidades de gran capacidad para altos hornos, elevadores
de la presión de gas y servicios en túneles
aerodinámicos.
En los compresores de este tipo (Fig. 33), la
corriente de aire fluye en dirección axial, a
través de una serie de paletas giratorios de un motor y de
los fijos de un estator, que están concéntricos
respecto al eje de rotación. A diferencia de la turbina,
que también emplea los paletas de un motor y los de un
estator, el recorrido de la corriente de un compresor axial va
disminuyendo de área de su sección transversal, en
la dirección de la corriente en proporción a la
reducción de volumen del aire según progresa la
compresión de escalón a escalón.
Una vez suministrado el aire al compresor por el
conducto de admisión, pasa la corriente a través de
un juego de paletas directores de entrara, que preparan la
corriente para el primer escalón de del compresor. Al
entrar en el grupo de
paletas giratorios, la corriente de aire, que tiene una
dirección general axial se defecta en la dirección
de la rotación. Este cambio de
dirección de la corriente viene acompañado de una
disminución de la velocidad, con la consiguiente
elevación de presión por efecto de difusión.
Al pasar la corriente a través del otro grupo de paletas
del estator se lo para y endereza, después de lo cual es
recogida por el escalón siguiente de paletas rotatorios,
donde continúa el proceso de
presurización.
Un compresor axial simple puede estar constituido
teóricamente por varias etapas según sea necesario,
pero esto puede producir que a determinadas velocidades las
ultimas etapas funcionen con bajo rendimiento y las primeras
etapas trabajen sobrecargadas. Esto puede ser corregido ya sea
con extracción de aire entre etapas o se puede conseguir
mucha mayor flexibilidad y rendimiento partiendo el compresor en
dos sistemas rotatorios completamente independientes
mecánicamente, cada uno arrastrado por su propia turbina.
El compresor de alta tiene paletas más cortos que el de
baja y es mas ligero de peso. Puesto que el trabajo de
compresión de compresor de alta trabaja a mayor
temperatura que el de baja se podrán conseguir velocidades
mas altas antes de que las puntas de los paletas alcancen su
número de Mach límite, ya que la velocidad del
sonido aumento
a mayor temperatura. Por consiguiente el compresor de alta
podrá rodar a mayor velocidad que el de baja.
El aire al salir del compresor pasa a través de
un difusor que lo prepara para entrar a la cámara de
combustión.
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VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS
COMPRESORES
Compresores Alternativos
El uso de lubricantes en los compresores alternativos el
causante de sus principales ventajas y desventajas.
Un compresor lubricado durara mas que uno que no lo
esta. Hay que tener cuidado de no lubricar en exceso, porque la
carbonización del aceite en las válvulas puede
ocasionar adherencias y sobrecalentamiento. Además, los
tubos de descarga saturados con aceite son un riesgo potencial
de incendio, por lo que se debe colocar corriente abajo un
separador para eliminar el aceite. Los problemas mas grandes en
los compresores con cilindro lubricado son la suciedad y la
humedad, pues destruyen la película de aceite dentro del
cilindro.
En los compresores sin lubricación la suciedad
suele ser el problemas mas serio, y hay otros problemas que puede
ocasionar el gas en si. Por ejemplo, un gas absolutamente seco
puede ocasionar un severo desgaste de los anillos.
Compresores Rotatorios
El diseño de anillo de agua tiene la ventaja de
que el gas no hace contacto con las partes rotatorias
metálicas. Los aspectos críticos son la
presión de vapor del gas de entrada, comparada con la
presión de vapor del liquido que forma el anillo de agua y
el aumento de temperatura en el mismo. La presión de vapor
del fluido para sellos debe ser muy inferior al punto de
ebullición, porque de otra forma se evaporara el anillo de
agua, ocasionara perdida de capacidad y quizás serios
daños por sobrecalentamiento.
Compresores
Centrífugos
Ventajas:
- En el intervalo de 2.000 a 200.000
ft3/min., y según sea la relación de
presión, este compresor es económico porque se
puede instalar en una sola unidad. - Ofrece una variación bastante amplia en el
flujo con un cambio pequeño en la carga. - La ausencia de piezas rozantes en la corriente de
compresión permite trabajar un largo tiempo entre
intervalos de mantenimiento, siempre y cuando los sistemas
auxiliares de aceites lubricantes y aceites de sellos
estén correctos. - Se pueden obtener grandes volúmenes en un
lugar de tamaño pequeño. Esto puede ser una
ventaja cuando el terreno es muy costoso. - Su característica es un flujo suave y libre de
pulsaciones.
Desventajas:
- Los compresores centrífugos son sensibles al
peso molecular del gas que se comprime. Los cambios imprevistos
en el peso molecular pueden hacer que las presiones de descarga
sean muy altas o muy bajas. - Se necesitan velocidades muy altas en las puntas para
producir la presión. Con la tendencia a reducir el
tamaño y a aumentar el flujo, hay que tener mucho mas
cuidado al balancear los motores y con los materiales empleados
en componentes sometidos a grandes esfuerzos. - Un aumento pequeño en la caída de
presión en el sistema de proceso puede ocasionar
reducciones muy grandes en el volumen del
compresor. - Se requiere un complicado sistema para aceite
lubricante y aceite para sellos.
Compresores Axiales
La alta eficiencia y la capacidad mas elevada son las
únicas ventajas importantes que tienen los compresores de
flujo axial sobre las maquinas centrífugas, para las
instalaciones estacionarias. Su tamaño y su peso menores
no tienen mucha valor, tomando
en cuenta, sobre todo, el hecho de que los precios son
comparables a los de las maquinas centrífugas
diseñadas para las mismas condiciones. Las desventajas
incluyen una gama operacional limitada, mayor vulnerabilidad a la
corrosión y la erosión y propensión a las
deposiciones.
- Biblioteca del Ingeniero Químico (Tomo
2)
Robert H. Perry
Ed. Mc Graw-Hill
- Compresores. Selección, Uso y
Mantenimientos
Richard W. Greene, Cuerpo de redactores Chemical
Engineering Magazine
Ed. Mc Graw-Hill
- Tecnología Química
L.A. Rubio Felipe
Ed. Tecnos S.A.
- Bombas. Su Seleccion y Aplicación
Tyler G. Hicks, BME
Companía Editorial Continental S.A.
- Enciclopedia de Química Industrial
(Tomos 3, 8, 13, y 15)
Winnacker – Wengarhner
- Ingeniería Química
Brown
Ed. Marín
- Microsoft Encarta 2002
- Microsoft Encarta 2003
- Monografías.com
- www.monografias.com
- www.infomecanica.comautomatismos.htm
- www.fenk.com.ar
Gabriela M. Cambiasso
Darío G. Medrano
Agosto 2004