Tipos de compresores Compresores de aire Teoría básica Compressed Air Wiki Desplazamiento Aire comprimido
Antes de hablar de los diferentes métodos de compresión y compresores, primero tiene que conocer los dos principios básicos de la compresión del gas. Después, compararemos ambos y examinaremos los distintos compresores de esas categorías.
Existen dos principios genéricos de compresión del aire (o gas): la compresión de desplazamiento positivo y la compresión dinámica. Estos principios se basan en la teoría de cómo se comprime y descarga el aire.
En la compresión de desplazamiento positivo, el aire se aspira en una o varias cámaras de compresión, donde queda confinado. El volumen de cada cámara disminuye gradualmente y el aire se comprime internamente. Cuando la presión ha alcanzado la relación de presiones establecida, se abre una lumbrera o una válvula y el aire se descarga en el sistema de salida debido a la reducción continua del volumen de la cámara de compresión.
En la compresión dinámica, el aire se aspira entre los álabes de un rodete que gira con rapidez y acelera a gran velocidad. A continuación, el gas se descarga a través de un difusor, donde la energía cinética se convierte en presión estática.
Los compresores de desplazamiento positivo proporcionan un flujo de aire constante, independientemente de la presión del sistema. Comprimen el aire atrapando un volumen fijo y comprimiéndolo mecánicamente, por ejemplo, con pistones o tornillos giratorios.
Estos compresores ofrecen relaciones de presión más altas incluso a velocidades más bajas y son ideales para aplicaciones más pequeñas y estables, como la industria de la fabricación y el sector de la automoción. Su diseño sencillo garantiza la fiabilidad y un mantenimiento fácil.
Los compresores dinámicos utilizan álabes giratorios de alta velocidad para comprimir grandes volúmenes de aire.
Su caudal y presión varían en función de la velocidad de funcionamiento, lo que los hace adecuados para aplicaciones de gran volumen como la generación de energía y la climatización. Su diseño complejo está optimizado para caudales variables y operaciones eficientes de alta velocidad.
La bomba de una bicicleta es el ejemplo más sencillo de una compresión de desplazamiento positivo, donde el aire se aspira en un cilindro y se comprime mediante un pistón móvil. Los compresores de pistón tienen el mismo principio de funcionamiento y utilizan un pistón cuyo movimiento hacia delante y hacia atrás se logra mediante una biela y un cigüeñal giratorio.
Si solo se utiliza un lado del pistón para la compresión, se denomina "compresor de simple efecto". Si se utilizan tanto la parte superior como la inferior del pistón, el compresor es de doble efecto. La relación de presiones es el coeficiente entre la presión absoluta en los lados de entrada y de salida.
Por consiguiente, una máquina que aspira aire a presión atmosférica (1 bar[a]) y lo comprime a 7 bar trabaja en una relación de presiones de (7 + 1)/1 = 8.
Los dos gráficos siguientes ilustran (respectivamente) la relación de presión-volumen para un compresor teórico y un diagrama de compresor realista para un compresor de pistón.
El volumen de carrera es el volumen del cilindro que recorre el pistón durante la etapa de aspiración. El volumen libre se encuentra justo debajo de las válvulas de entrada y salida y por encima del pistón, que debe permanecer en el punto de giro superior del pistón por razones mecánicas.
La diferencia entre el volumen de carrera y el volumen de aspiración se debe a la expansión del aire que permanece en el volumen muerto. La diferencia entre el diagrama p/V teórico y el diagrama real se debe al diseño práctico de un compresor, por ejemplo, un compresor de pistón.
Las válvulas no están nunca completamente selladas y siempre hay un cierto grado de fugas entre la superficie lateral del pistón y la pared del cilindro. Además, las válvulas no pueden abrirse y cerrarse totalmente sin un retardo mínimo, lo que se traduce en una caída de presión cuando el gas fluye a través de los canales. El gas también se calienta cuando fluye hacia el cilindro como consecuencia de este diseño.
En un compresor dinámico, el aumento de presión tiene lugar mientras fluye el gas. Los álabes de un rodete giratorio aceleran el gas que fluye a alta velocidad. La velocidad del gas se transforma posteriormente en presión estática cuando se fuerza su desaceleración bajo la expansión en un difusor.
En función de la dirección principal del flujo de gas utilizado, estos compresores pueden ser radiales o axiales. En comparación con los compresores de desplazamiento, los compresores dinámicos tienen una característica según la cual un pequeño cambio en la presión de trabajo se traduce en una gran variación en el caudal.
La velocidad de cada rodete tiene un límite de caudal superior e inferior. El límite superior significa que la velocidad de flujo del gas alcanza una velocidad sónica. El límite inferior significa que la contrapresión se hace mayor que la acumulación de presión del compresor, lo que produce un flujo de retorno dentro del compresor. Esto a su vez se traduce en pulsaciones, ruido y riesgo de daños mecánicos.
Para obtener más información sobre cómo se regulan los compresores dinámicos y cómo se optimiza su rendimiento, lea esta guía sobre la regulación de los compresores dinámicos.
Existen dos principios genéricos de compresión de aire (o gas): compresión de desplazamiento positivo y compresión dinámica. En el compresor de desplazamiento positivo se incluye, por ejemplo, los compresores alternativos (pistón) , los compresores de espirales (scroll) y los diferentes tipos de compresores rotativos ( tornillo , uña o paletas). En la compresión de desplazamiento positivo, el aire se aspira en una o varias cámaras de compresión, donde queda confinado. El volumen de cada cámara disminuye gradualmente y el aire se comprime internamente. Cuando la presión ha alcanzado la relación de presiones establecida, se abre una lumbrera o una válvula y el aire se descarga en el sistema de salida debido a la reducción continua del volumen de la cámara de compresión. En la compresión dinámica, el aire se aspira entre los álabes de un rodete que gira con rapidez y acelera a gran velocidad. A continuación, el gas se descarga a través de un difusor, donde la energía cinética se convierte en presión estática. La mayoría de los ejemplos de compresión dinámica son turbocompresores con un patrón de flujo axial o radial .
Una bomba de bicicleta es la forma más simple de compresión de desplazamiento positivo, donde el aire se aspira en un cilindro y se comprime mediante un pistón móvil. El compresor de pistón es un compresor de desplazamiento positivo que tiene el mismo principio de funcionamiento y utiliza un pistón cuyo movimiento hacia delante y hacia atrás se logra mediante una biela y un cigüeñal giratorio. Si solo se utiliza un lado del pistón para la compresión, se denomina "compresor de simple efecto". Si se utiliza tanto la parte superior como la inferior del pistón, el compresor es de doble efecto. La relacion de presiones es el coeficiente entre la presion absoluta en los lados de entrada y de salida. Por consiguiente, una máquina que aspira aire a presión atmosférica (1 bar[a]) y lo comprime a 7 bar trabaja en una relación de presiones de (7 + 1)/1 = 8.
En cuanto a los compresores de desplazamiento positivo, los dos gráficos siguientes ilustran (respectivamente) la relación de presión-volumen para un compresor teórico y un diagrama de compresor más realista para un compresor de pistón. El volumen de carrera es el volumen del cilindro que recupera el pistón durante la etapa de aspiración. El volumen de la cámara de compresión es el volumen justo debajo de las válvulas de entrada y salida y por encima del pistón, que debe permanecer en el punto de retorno superior del pistón por razones mecánicas.
La diferencia entre el volumen de carrera y el volumen de aspiración se debe a la expansión del aire restante en el volumen de la cámara de compresión antes de que comience la aspiración. La diferencia entre el diagrama p/V teórico y el diagrama real se debe al diseño práctico de un compresor, por ejemplo, un compresor de pistón. Las válvulas no están nunca completamente selladas y siempre hay un cierto grado de fugas entre la superficie lateral del pistón y la pared del cilindro. Además, las válvulas no pueden abrirse y cerrarse totalmente sin un retardo mínimo, lo que se traduce en una caída de presión cuando el gas fluye a través de los canales. El gas también se calienta cuando fluye hacia el cilindro como consecuencia de este diseño.
En teoría, el aire o el gas se puede comprimir de manera isentrópica (a entropía constante) o isotérmica (a temperatura constante). Cualquiera de estos procesos puede ser parte de un ciclo teóricamente reversible. Si el gas comprimido se puede utilizar inmediatamente después de la compresión a su temperatura final, el proceso de compresión isentrópica tendrá ciertas ventajas. En realidad, el aire o gas raramente se utiliza directamente después de la compresión, y normalmente se enfría temperatura ambiente antes de su uso. Por consiguiente, se prefiere el proceso de compresión isotérmica, ya que requiere menos trabajo. Un enfoque práctico y común para ejecutar este proceso de compresión isotérmica implica la refrigeración del gas durante la compresión. A una presión de trabajo efectiva de 7 bares, la compresión isentrópica requiere teóricamente un 37 % más de energía que la compresión isotérmica.Un método para reducir el calentamiento del gas es dividir la compresión en varias etapas. El gas se enfría después de cada etapa antes de comprimirse más hasta la presión final. Esto también aumenta la eficiencia energética, obteniendo los mejores resultados cuando cada etapa de compresión tiene la misma relación de presiones. Al aumentar el número de etapas de compresión, todo el proceso se acerca a la compresión isotérmica. Sin embargo, hay un límite económico del número de etapas que puede utilizar el diseño de una instalación real.
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