INTRODUCCION A COMPRESORES DE AIRE

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

COMPRESORES DE AIRE

Al terminar de estudiar este módulo, el participante debe ser capaz de describir:

Las diferencias entre la compresibilidad de gases y la compresibilidad de líquidos.

El efecto de temperatura sobre la compresión de gases.

Cómo los cilindros de aire pueden usarse para hacer trabajo.

Por qué los secadores de aire se usan para producir aire de instrumentación.

Los principios de operación y los componentes principales de los compresores de aire alternativos (recíprocos) y los compresores de aire de tornillos rotatorios.

Los métodos generales que se usan para lubricar y enfriar los compresores.

Por qué son necesarios los filtros de aire.

El principio de operación de un secador de aire.

COMPRESORES DE AIRE

Introducción

Los compresores de aire se usan para comprimir aire a presión atmosférica a una presión mucho mayor. Además de la presión de aire, el volumen, o cantidad de aire comprimido en el compresor de aire constituye una característica importante de los compresores de aire. El aire a alta presión que descarga desde un compresor de aire se usa en la planta para realizar trabajos de varios tipos. Un compresor de aire de planta típico para uso general en la planta comprimirá aire a aproximadamente 690 kPa (100 psi). Un uso común para el aire comprimido en la planta es la operación de cilindros neumáticos o de aire. El diagrama simple abajo muestra un cilindro neumático.

Cilindro neumático (aire)

El cilindro neumático consiste en un cilindro, un pistón y un vástago de pistón. La porción azul del diagrama arriba representa el aire comprimido bajo alta presión ingresando al cilindro y empujando sobre el pistón (mostrado en negro en el centro del cilindro). El color rojo representa el aire en el otro lado del pistón que está a una menor presión y se ventila a la atmósfera permitiendo que el pistón se mueva hacia la derecha a medida que el aire a alta presión (azul) lo empuja. El pistón está conectado al vástago del pistón. Cuando es necesario retraer el vástago, se usa una válvula de dos pasos para permitir que el aire a alta presión escape (azul) y el lado de baja presión (rojo) se conecte con el suministro de aire a alta presión. Esto permite que el pistón sea empujado en la dirección opuesta, retrayendo el vástago del pistón. El vástago está conectado al equipo que requiere de movimiento.

Hay diferentes tipos de compresores tal como hay diferentes tipos de bombas. De hecho, los compresores de aire son similares a las bombas. Sin embargo, los

compresores de aire bombean aire en vez de líquido. La mayor diferencia entre las bombas y los compresores es que los líquidos son en su mayor parte incompresibles. No obstante, el aire y otros gases son compresibles. Compresible significa que a medida que aumenta la presión de un gas, el volumen disminuye proporcionalmente a cualquier temperatura constante dada. Para los líquidos, el volumen es casi constante y no varía con la presión. Sin embargo, a medida que un gas compresible se comprime a un menor volumen, su temperatura aumentará debido al trabajo realizado en él. Por lo tanto, es común que el aire comprimido sea enfriado en un intercambiador de calor con agua o gas como el refrigerante.

Otro uso común para los compresores es proveer aire a alta presión para los instrumentos de la planta, como las válvulas de control operadas por aire. En estos casos, el aire a alta presión se usa para forzar el movimiento en un diafragma que, a su vez, opera una válvula. El aire comprimido para uso en instrumentos requiere que el aire a alta presión no esté demasiado húmedo. Por lo tanto, los compresores de aire intencionados para usarse con instrumentos—llamados compresores de aire para instrumentación—tienen un secador de aire para secar el aire a alta presión antes de su uso.

El término compresor de aire generalmente se usa para los equipos que comprimen aire a presiones que exceden de casi 345 kPa (50 psi). Los equipos que comprimen aire a presiones mucho menores que esto se denominan comúnmente sopladores. Además, los sopladores generalmente proveen un volumen de aire mucho mayor que los compresores.

Los compresores de aire generalmente pueden dividirse en los siguientes tipos básicos:

Compresores de aire alternativos.

Compresores de aire de tornillos rotatorios.

Cada tipo se describe a continuación.

Compresores de aire alternativos (recíprocos)

Un compresor alternativo usa la acción alternativa (de vaivén) de un pistón al interior de un cilindro para comprimir el aire. A medida que el pistón se mueve hacia abajo (lado izquierdo del diagrama en el cuadro a mano derecha), se crea un área de baja presión al interior del cilindro. Debido a que la presión atmosférica sobre la válvula de admisión es mayor que la presión debajo de ella, la válvula de admisión es forzada a abrirse y el aire es succionado dentro del cilindro. Una vez que el pistón ha alcanzado su posición inferior, comienza a moverse hacia arriba (lado derecho del diagrama en el cuadro a mano derecha). La válvula de admisión se cierra, atrapando el aire al interior del cilindro. A medida que el pistón continúa moviéndose hacia arriba, comprime el aire,

aumentando su presión. En un cierto punto la presión ejercida por el aire fuerza la válvula de escape a abrirse y el aire comprimido fluye fuera del cilindro. Una vez que el pistón llega a su posición superior extrema, comienza a moverse nuevamente hacia abajo y el ciclo se repite. Abajo se muestra un ejemplo de compresor de aire alternativo con dos cilindros.

Compresor de aire alternativo (recíproco)

Los compresores alternativos son máquinas de desplazamiento positivo, significando que incrementan la presión del aire reduciendo su volumen como se muestra en el diagrama abajo. Advierta que el volumen V1 en la imagen izquierda es mayor que el volumen V2 en la imagen derecha. Sin embargo, la presión es mayor en la imagen derecha que en la izquierda.

Este tipo de compresor tiene un cigüeñal, bielas y pistones. Los diagramas directamente arriba y en el marco a mano derecha muestran un compresor de etapa única. Los compresores de dos etapas comprimen el aire dos veces. El aire a alta presión que descarga del cilindro de primera etapa es comprimido nuevamente en un segundo cilindro—el cilindro de segunda etapa, Los compresores de etapa única generalmente se usan para presiones en el margen de 480 kPa a 690 kPa (70 psig a 100 psig). Los compresores de dos etapas generalmente se usan para presiones mayores en el margen de 690 kPa a 1.700 kPa (100 psig a 250 psig).

Para suavizar los impulsos en el aire a alta presión que descarga del pistón cíclico, el aire a alta presión descargando desde el compresor se dirige a un gran estanque llamado acumulador de aire—o en ocasiones simplemente acumulador. La tubería desde el acumulador se dirige al sistema de distribución de aire comprimido.

Acumulador de aire

Compresores de aire de tornillos rotatorios

COMPRESOR DE AIRE DE TORNILLOS ROTATORIOS

Los compresores de aire de tornillos rotatorios son unidades de desplazamiento positivo que emplean una o más etapas de compresión para obtener la presión deseada. Los componentes para cada etapa incluyen una caja (estator), dos rotores—uno conteniendo lóbulos macho y uno conteniendo ranuras hembra—cojinetes y soportes de cojinetes.

Rotores de compresor de tornillos rotatorios

El aire ingresa al compresor, pasando a través de un filtro de aire de admisión y válvula de admisión. La compresión en el compresor de aire tipo tornillos se crea mediante el engrane de dos rotores helicoidales (macho y hembra) sobre ejes paralelos encerrados en una caja de hierro fundido para servicio pesado, con lumbreras de admisión y salida de aire ubicadas en los extremos opuestos. Las ranuras del rotor hembra engranan con, y son impulsadas por, los lóbulos en el rotor macho. Cojinetes en el extremo de descarga impiden el movimiento axial, o de atrás para adelante, de los rotores. El aire que ingresa a la caja del compresor es comprimido a medida que los lóbulos del rotor macho ruedan por las ranuras del rotor hembra, atrapando aire atmosférico y comprimiéndolo entre los lóbulos. El aire a alta presión sale del compresor y es enfriado en un intercambiador de calor llamado postenfriador antes de descargar dentro del acumulador y sistema de distribución de aire. Este proceso entrega aire de flujo uniforme a presión máxima.

Para ilustrar la secuencia de compresión, considere la acción del punto de engrane del lóbulo macho con la ranura hembra en forma similar a una bola rodando en una ranura. En la figura a la derecha usada como referencia, se ha aislado un ciclo de compresión para ilustrar el principio. A medida que el lóbulo helicoidal gira, el lóbulo macho (la bola) engrana con la ranura hembra, atrapando aire atmosférico (A) delante de él en la ranura hembra. A medida que la bola se mueve por la ranura, se comprime el aire (B). El aire comprimido descarga a medida que la bola llega al extremo de la ranura hembra (C) y el

extremo de la ranura gira para alinearse con la lumbrera de descarga. El aire atmosférico llena el espacio detrás de la bola, preparando la ranura hembra para otro ciclo de compresión a medida que la rotación continúa y el lóbulo macho nuevamente engrana con el extremo de admisión de la ranura hembra.

Lubricación y enfriamiento

Tal como un motor de automóvil necesita que los cilindros se lubriquen, los compresores de aire de planta necesitan un fluido lubricante para lubricar las piezas móviles. Generalmente, se inyecta aceite en el compresor en grandes cantidades en la fase de compresión y se mezcla directamente con el aire a medida que los pistones operan o los rotores giran, comprimiendo el aire. El fluido cumple varios propósitos. Actúa como un enfriador, absorbiendo el calor de compresión, y sella las vías de filtración entre el pistón y la pared del cilindro. En el caso de los compresores de tornillos rotatorios, sella las vías de filtración entre los rotores y el estator, y entre los rotores mismos, actuando también como una película lubricante entre los rotores, permitiéndole a un rotor accionar directamente al otro.

Cuando el aire comprimido descarga del compresor, el aceite necesita separarse del aire a alta presión. Por lo tanto normalmente se provee un sistema de separación. El sistema de separación está autocontenido en un estanque separador y remueve todas excepto unas pocas partes por millón (ppm) del aceite del aire de descarga. El aceite regresa al compresor de aire y el aire a alta presión pasa al postenfriador. Al enfriar el aire de descarga, gran parte del vapor de agua contenido naturalmente en el aire es condensado y eliminado de la tubería y equipos de la planta aguas abajo.

Postenfriador

Filtro de aire

El aire que descarga del compresor aún contiene una pequeña cantidad de aceite y puede contener algunas diminutas partículas de arrastres. Si el aire a alta presión debe estar limpio para usarse en el servicio de instrumentos, este aire comprimido contaminado debe limpiarse adicionalmente en un filtro. El aire a alta presión ingresa al filtro y es dirigido hacia abajo a través del elemento filtrante. La neblina líquida y partículas sólidas son atrapadas permanentemente dentro del material filtrante, haciendo necesario reemplazar el elemento cuando la suciedad y otros materiales recolectados producen una caída de presión excesiva.

FILTRO DE AIRE

Filtros de aire comprimido típicos

La neblina líquida, después de ser atrapada inicialmente por las fibras del elemento filtrante, coalesce para formar grandes gotas. Las gotas fluyen con el aire hacia la superficie exterior del elemento filtrante en donde aparecen como condensación. Las gotas fluyen hacia el fondo del filtro y son descargadas a través de una malla de drenaje autolimpiante. El aire filtrado limpio fluye hacia arriba y hacia afuera del filtro hacia el sistema de distribución de aire.

Secador de aire

SECADOR DE DOBLE CÁMARA (TORRE)

El aire a alta presión para el servicio de instrumentos debe estar seco. Por lo tanto, se usan secadores tipo deshidratante para adsorber el vapor de agua presente en el aire sobre la superficie de un deshidratante apropiado. El deshidratante contenido en las torres remueve la mayor parte de la humedad del aire comprimido. Habitualmente se usa un secador de doble cámara (torre). Consiste de dos cámaras, o torres, cada una cargada con deshidratante. En esta configuración, una torre está en línea secando el aire comprimido mientras la otra está fuera de línea siendo regenerada (reactivada o secada).

Secador de aire comprimido de doble torre

Para secar el deshidratante en la torre que está fuera de línea con el deshidratante cargado de humedad, una porción del aire seco de la torre en línea se dirige a la torre con el deshidratante húmedo. Este aire seco a alta presión se expande en la torre húmeda, absorbiendo humedad y secando el deshidratante. Después de un período de tiempo la torre siendo regenerada tiene el deshidratante seco y la torre en línea tiene el deshidratante cargado con humedad. Luego, una válvula conmuta las torres—la torre fuera de línea entra en línea y la torre en línea sale fuera de línea para ser regenerada. Las torres se alternan en línea y fuera de línea de modo que una de las torres deshidratantes está siempre en contacto con el aire comprimido húmedo, resultando en un suministro continuo de aire seco.

EJERCICIOS

1. ¿Cuáles son dos características importantes de los compresores de aire?

(A)

La presión de aire y agua.

(B) La presión de agua y el caudal de agua.

(C) La presión de aire y el volumen, o cantidad, de aire comprimido.

(D) Sólo la presión de aire es importante.

2. ¿A qué presión comprimirá aire un compresor de aire de uso general?

(A)

690 kPa (100 psi).

(B) 50 kPa (7 psi).

(C) 10.000 kPa (1.450 psi).

(D) Cualquier presión desde cero a 10.000 kPa (1.450 psi).

3. ¿Cuál de las siguientes expresiones incluye los componentes principales de un cilindro neumático o de aire?

(A)

Cilindro, eje de levas y levas.

(B) Cilindro, pistón y vástago de pistón.

(C) Cilindro, impulsor y cubo.

(D) Cilindro, tornillo y ejes de tornillo gemelos.

4. Cuando es necesario invertir la dirección, o retraer el vástago del pistón de un cilindro neumático, ¿qué dispositivo se usa?

(A)

Una válvula de cierre.

(B) Una válvula de dos pasos.

(C) Un eliminador retractor.

(D) El pistón nunca puede retraerse.

5. Los gases son compresibles. ¿Qué significa el término "compresible"?

(A)

A medida que aumenta la presión de un gas, el volumen disminuye proporcionalmente a cualquier temperatura constante dada.

(B)

A medida que aumenta la presión de un gas, el volumen también aumenta proporcionalmente a cualquier temperatura constante dada.

(C)

A medida que aumenta el volumen de un gas, la presión también aumenta proporcionalmente a cualquier temperatura constante dada.

(D)

Los gases no son compresibles.

6. ¿Por qué es común enfriar el aire que está siendo comprimido en un compresor de aire?

(A)

El aire frío produce más trabajo que el aire caliente.

(B) A medida que un gas compresible se comprime a un menor volumen, su temperatura aumentará debido al trabajo realizado en él.

(C)

A medida que un gas compresible se comprime a un menor volumen, se enfría automáticamente, de modo que el aire comprimido en realidad se usa para enfriar otros procesos.

(D)

No se necesita enfriamiento alguno.

7. ¿Cuál es la diferencia entre un compresor de aire y un soplador de aire?

(A)

No hay diferencia entre los dos términos; se usan indistintamente.

(B) No existe un equipo llamado soplador.

(C) Los compresores de aire comprimen aire a presiones menores que 345 kPa (50 psi). Los equipos que comprimen aire a presiones mucho mayores que esto se denominan comúnmente sopladores.

(D)

Los compresores de aire comprimen aire a presiones que exceden de 345 kPa (50 psi). Los equipos que comprimen aire a presiones mucho menores que esto se denominan comúnmente sopladores.

8. ¿Cuáles son los tipos básicos de compresores de aire?

(A)

Alternativos y de tornillos rotatorios.

(B) Centrífugos y dosificadores.

(C) Desplazamiento positivo y dosificadores.

(D) Alternativos y de desplazamiento positivo.

9. ¿Qué usa un compresor de aire alternativo para comprimir aire?

(A)

La acción rotatoria de una diafragma de caucho al interior de un bonete.

(B)

La rotación de un impulsor al interior de una caja.

(C) La acción rotatoria de un tornillo (eje sinfín) al interior de un cilindro.

(D) La acción alternativa de un pistón al interior de un cilindro.

10. ¿Cuál de las siguientes expresiones describe la acción de un compresor de aire alternativo?

(A)

A medida que el pistón se mueve hacia arriba, se crea un área de baja presión al interior del cilindro. La presión debajo de la válvula de admisión es mayor que la presión sobre ella, y la válvula de admisión es forzada a abrirse.

(B)

A medida que el pistón se mueve hacia abajo, se crea un área de baja presión al interior del cilindro. La presión sobre la válvula de admisión es mayor que la presión debajo de ella, y la válvula de admisión es forzada a abrirse.

(C)

A medida que el impulsor alternativo gira, se crea una baja presión al interior del cilindro. La presión debajo de la válvula de admisión es mayor que la presión encima de ella, y la válvula de admisión es forzada a abrirse.

(D)

A medida que el diafragma de caucho gira, fuerza aire a alta presión fuera de la válvula de descarga.

11. ¿Cuál expresión respecto a los compresores de aire alternativos NO es correcta?

(A)

Los compresores de aire alternativos son máquinas de desplazamiento positivo.

(B)

Los compresores de aire alternativos incrementan la presión del aire reduciendo su volumen.

(C)

Los compresores de aire alternativos requieren de un pistón, conectado a un cigüeñal, que mueve el pistón de atrás para adelante.

(D)

Los compresores de aire alternativos son siempre máquinas de etapa única.

12. ¿Cuál expresión respecto a los compresores de aire es correcta?

(A)

Los compresores de dos etapas comprimen el aire una vez, pero usan dos cilindros para comprimir dos veces el volumen de aire como un solo cilindro.

(B)

Los compresores de dos etapas comprimen el aire dos veces. El aire a alta presión del cilindro de primera etapa es comprimido nuevamente en un cilindro de segunda etapa.

(C)

Los compresores de dos etapas usan dos impulsores rotatorios, cada uno girando en dirección opuesta, para neutralizar el torque.

(D)

No existe algo como un compresor de dos etapas.

13. ¿Qué dispositivo se usa para suavizar los impulsos en el aire a alta presión que descarga del pistón cíclico en un compresor alternativo?

(A)

Un gran tanque llamado acumulador de aire.

(B) Un depresor de pistón cíclico.

(C) Un suavizador de aire.

(D) Válvulas de alivio de seguridad.

14. ¿Cuál de lo siguiente es un componente de un compresor de aire de tornillos rotatorios?

(A)

Caja o estator.

(B) Dos rotores.

(C) Cojinetes y soportes de cojinetes.

(D) Todo lo anterior.

15. ¿Qué produce la compresión en un compresor de aire tipo tornillos rotatorios?

(A)

Se crea mediante la rotación de un impulsor encerrado en una caja de hierro fundido para servicio pesado.

(B)

Se crea mediante el ciclado de dos diafragmas de caucho en un bonete de hierro fundido para servicio pesado. Los diafragmas ciclan usando aire comprimido reciclado, creando una máquina de movimiento perpetuo.

(C)

Se crea mediante el engrane de dos rotores helicoidales (macho y hembra) sobre ejes paralelos encerrados en una caja de hierro fundido para servicio pesado.

(D)

Se crea mediante el ciclado de dos pistones sobre cigüeñales paralelos encerrados en una caja de hierro fundido para servicio pesado.

16. ¿Cuál expresión describe cómo se lubrica un compresor de aire de tornillos rotatorios?

(A)

Generalmente, sólo se lubrican los cojinetes en un compresor de aire ya que es muy importante que el lubricante no entre en contacto con el aire.

(B)

Generalmente, un compresor de aire de tornillos rotatorios no necesita lubricación.

(C)

Generalmente, se inyecta grasa muy espesa en el compresor en grandes cantidades en la fase de compresión y se mezcla directamente con el aire a medida que los rotores giran.

(D)

Generalmente, se inyecta aceite en el compresor en grandes cantidades en la fase de compresión y se mezcla directamente con el aire a medida que los rotores giran.

17. ¿Cuál expresión describe la acción de un lubricante en un compresor de aire de tornillos rotatorios?

(A)

Actúa como un enfriador.

(B) Sella las vías de filtración entre los rotores y el estator, y entre los rotores mismos.

(C)

Actúa como una película lubricante.

(D) Todo lo anterior.

18. ¿Qué dispositivo se usa para enfriar el aire comprimido que descarga de un compresor de aire de tornillos rotatorios?

(A)

Un refrigerador.

(B) Un postenfriador.

(C) Un acondicionador de aire.

(D) Un enfriador rotatorio.

19. ¿En qué situación necesitará filtrarse el aire que descarga de un compresor de aire?

(A)

Si el aire a alta presión debe estar limpio para usarse en el servicio de instrumentos.

(B)

El aire a alta presión debe filtrarse siempre, no importa cuál sea el servicio.

(C)

El aire a alta presión nunca necesita filtrarse.

(D) Si el aire a alta presión no va a usarse para el servicio de instrumentos.

20. ¿Qué indica a un operador la necesidad de reemplazar un elemento de filtro?

(A)

No hay indicación específica. El elemento deberá cambiarse al menos una vez a la semana.

(B)

Los elementos filtrantes no necesitan cambiarse nunca.

(C) Una caída de presión excesiva.

(D) Una caída de presión muy leve.

21. ¿Para qué tipo de servicio el aire comprimido necesita estar seco?

(A)

Aire para los cilindros neumáticos en operación.

(B) Aire para el servicio de instrumentos.

(C) Aire para válvulas de dos pasos en operación.

(D) El aire comprimido deberá estar siempre seco.

22. ¿Qué tipo de secador se usa generalmente para secar aire comprimido?

(A)

Secadores tipo deshidratante.

(B) Secadores de aire caliente.

(C) Secadores por refrigeración.

(D) Todo lo anterior.

23. ¿Cuál expresión describe a un "secador de doble cámara"?

(A)

Consiste en dos cámaras, o torres, una de las cuales tiene deshidratante y la otra está vacía. Periódicamente, el deshidratante se descarga desde la primera torre y se carga en la segunda.

(B)

Consiste en dos cámaras, o torres, que calientan el aire usando bobinas eléctricas. El aire caliente extrae la humedad del aire.

(C)

Consiste en dos cámaras, o torres, cada una cargada con deshidratante. Una torre está en línea secando mientras la otra está fuera de línea siendo regenerada.

(D)

Consiste en dos cámaras, o torres, cada una cargada con deshidratante. Ambas torres están siempre secando aire.