0201-TR Turbinas Gases & Compresores 2006

Patrocinado por; TECNICAS REUNIDAS, S.A. Con la colaboracin de DYNATEC, S.A. C/ Bravo Murillo, n 297; 2 2E, 28020 Madrid; 915-920-300. Dirigido por Jess Escobar Garca 639-155-420; [email protected]

CURSO AVANZADO PARA EL

DISEO DE TUBERAS

EN PLANTAS QUMICAS, PETROQUMICAS,

FARMACEUTICAS, NUCLEARES,

ALIMENTARIAS, ETC.

0201

LAS TURBINAS Y LOS COMPRESORES.

CURSO AVANZADO PARA EL DISEO DE TUBERAS EN PLANTAS DE PROCESO PETROQUMICO, NUCLEAR, ETC (2.006).



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ndice de la unidad didctica: 01 GENERALIDADES SOBRE LAS TURBINAS.

02 LAS TURBINAS DE CONDENSACIN.

03 LAS TURBINAS DE CONTRAPRESIN.

04 LAS TURBINAS MIXTAS (derivacin y condensacin).

05 GENERALIDADES SOBRE LOS COMPRESORES.

06 GENERALIDADES SOBRE LOS GASES.

07 USOS DE LOS COMPRESORES.

08 CARACTERSTICAS DE LOS COMPRESORES.

09 TIPOS DE COMPRESORES.

10 LOS COMPRESORES ALTERNATIVOS.

11 LOS COMPRESORES ROTATIVOS.

11.1 Los compresores de paletas.

11.2 Los compresores de lbulos.

11.3 Los compresores de tornillo.

12 LOS COMPRESORES DE FLUJO CONTINUO.

12.1 Los compresores centrfugos.

12.2 Los compresores axiales.

13 LOS EYECTORES.




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01 GENERALIDADES SOBRE LAS TURBINAS.

Son maquinas que transforman en energa mecnica, la energa contenida en el vapor; sus

caractersticas quedan definidas por el sistema de descarga de vapor y pueden clasificarse como:

? Turbinas de accin; la cada de presin se efecta de una sola vez, en las toberas o labes

directores antes de entrar en la corona de labes. Toda la energa potencial disponible se

transforma en energa cintica, antes de entrar en el rodete.

? Turbinas de reaccin; solo parte de la expansin se efecta en las toberas antes de entrar

en el rodete. El resto de la expansin se efecta mientras atraviesa la corona de labes.

Figura 01; Esquema de las posiciones del funcionamiento de las turbinas.

Los valores que determinan las caractersticas de una turbina son:

? Consumo o caudal de vapor.

? Presin de admisin en la turbina (normal y mxima).

? Presin de condensacin o de descarga.

? Potencia suministrada por la maquina.

? Velocidad de rotacin.




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La clasificacin de las turbinas, tambin se puede realizar en funcin de las condiciones del

escape; segn esto, se diferencian en:

Turbinas de condensacin.

Turbinas de contrapresin.

Turbinas mixtas (derivacin y condensacin).

Todos estos equipos disponen de un regulador de velocidad, cuyas caractersticas dependen del

tamao de la turbina, esta regulacin puede llevarse a cabo por:

Parcializacin; cerrando vlvulas de paso de vapor a un cierto n de toberas o escalones.

Estrangulacin; cerrando ms o menos la vlvula de admisin de vapor.

La variacin del caudal de vapor en la admisin de una turbina origina una variacin del par, es

decir, de la velocidad de giro y consecuentemente de la potencia.

Para evitar una prdida de carga por laminado, las toberas de la primera etapa de las turbinas

multietapas, se distribuyen en varios grupos, cada uno servido por una vlvula, que asegura una

regulacin simplificada. Estas vlvulas se abren segn la carga sobre el eje. La regulacin

automtica se realiza segn uno de los principios siguientes:

Regulacin centrfuga; segn la velocidad del eje principal o de otro anexo, los contrapesos

se alejan o se acercan del eje y, mediante un movimiento articulado, hacen deslizar las bielas

que actan sobre la vlvula de admisin de vapor. Este dispositivo se utiliza principalmente

en las turbinas pequeas.

Regulacin hidrulica; una bomba de aceite accionada por la turbina transforma las

variaciones de velocidad en variaciones de presin, que se utilizan para actuar sobre las

vlvulas de admisin.

Regulacin indirecta; en las Instalaciones industriales, donde la turbina mueve una bomba o

compresor, es ms interesante comprobar la presin de impulsin de estos aparatos, que la

velocidad del eje de la turbina. Se utiliza directamente el control de presin en la vlvula de

admisin de vapor.

Adems del regulador ya citado, todas las turbinas disponen de un regulador de velocidad, que

detiene la turbina, en el caso de que su velocidad supere el 15 o 20% de su valor nominal.




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Con el fin de aumentar su campo de potencia, ciertas turbinas pueden ser equipadas con toberas

manuales de sobrecarga, que se mantienen cerradas en servicio normal.

Figura 02; Aspecto externo de una turbina de una etapa (sin equipo accionado).

Las turbinas de una sola etapa, llamadas turbinas process, se utilizan para accionar bombas

de emergencia. Su potencia puede alcanzar los 1 520 CV, con velocidades de 600 a 7 000

r.p.m. Estas turbinas no son de condensacin y utilizan vapor de alta presin.

Las turbinas de varias etapas se reservan para cargas importantes; mueven los generadores y los

grandes compresores centrfugos. Generalmente son de condensacin. Se necesitan juntas de

estanqueidad entre las diferentes etapas.

En algunos casos se dispone un recalentador para incrementar la energa del vapor entre dos

etapas, con el fin de aumentar la energa potencial del conjunto y mejorar el rendimiento de la

turbina.




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Figura 03; Aspecto externo

de una turbina

multi-etapa

(parcialmente

desmontada).

El empleo de uno u otro

tipo de turbina, ser deter-

minado por el balance del

excedente de vapor de alta

o baja presin de la planta.

Figura 04; Seccin descriptiva de una turbina multi-etapa.




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02 LAS TURBINAS DE CONDENSACIN.

Estas turbinas utilizan vapor a muy alta presin (normalmente de 60 a 140 kgs/cm2) y lo

devuelven a un vaco muy elevado (20 mm de Hg abs.). Se utilizan para accionar grandes

compresores, bombas y alternadores; son siempre multi-etapa.

Es decir, aprovechan completamente el salto de presin llegando hasta la condensacin del vapor

a travs de un condensador de aire o de agua; recuperndose el condensado para ser llevado a un

generador de vapor.

Figura 05; Esquema descriptivo de las purgas de una turbina multi-etapa.

03 LAS TURBINAS DE CONTRAPRESIN.

Estas maquinas aprovecha la expansin del vapor desde una presin ms alta a una presin

inferior, sin llegar a la condensacin. Estas turbinas funcionan con vapor de 20 a 40 kg/cm2 y

escapan, sin condensacin, con una presin relativa de 9 a 4 kg/cm2. Se utilizan muy a menudo

en las refineras para accionar bombas, recuperndose el vapor de escape para calentamiento de

productos pesados.

Dentro de esta clase de turbinas, debemos considerar dos tipos:

j Las de expansin simple

k Las de expansin mltiple.




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j Las turbinas de expansin simple, se construyen en capacidades de hasta 1.500 CV, y para

velocidades desde 600 hasta 7 000 rpm.

Son diseadas invariablemente para operar sin unidades de condensacin y son muy

utilizadas en las plantas de proceso. Una de las ventajas de estas turbinas, es que produce

vapor limpio de baja presin, que puede ser empleado como vapor de proceso

(calentamiento, etc.).

Por lo tanto, en una planta bien diseada puede emplearse un cierto nmero de turbinas de

expansin simple para propulsar a bombas, y al mismo tiempo proporcionar las cantidades

necesarias de vapor de baja presin para ser usadas en toda la planta; salvo que el coste de

tratamiento del agua de suministro lo haga inviable.

k Las turbinas de expansin mltiple; son ms caras y generalmente se las utiliza para

cargas grandes, en cuyo caso la economa de vapor es un factor muy importante.

Con frecuencia estas turbinas estn equipadas con unidades de condensacin y se utilizan

para accionar generadores o compresores centrfugos grandes. En las plantas de suministro

de energa se han ideado sistemas muy ingeniosos a fin de obtener la mxima economa del

vapor utilizado en cada situacin. Se puede emplear un ciclo directo de condensacin o un

ciclo de calentamiento del agua de alimentacin, en cuyo caso se extrae vapor de varias

partes de la turbina.

04 LAS TURBINAS MIXTAS (DERIVACIN Y CONDENSACIN).

Turbinas mixtas (derivacin y condensacin); son un compromiso entre los tipos anteriores. En

el curso de la expansin se extrae una parte del vapor a media presin (por ejemplo de 12 a 15

kgs/cm2), que es utilizado para el calentamiento de agua de alimentacin o para diversas

necesidades de las unidades de fabricacin.

En este caso se aprovecha enteramente el salto de presin solo para una parte del vapor

consumido (hasta su condensacin), la parte remanente se deriva como vapor a presin ms baja.




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Figura 06; Secciones esquemticas de turbinas multietapas, con extracciones.

Figura 07; Esquema descriptivo de las purgas de una turbina multietapa con recalentamiento.

Figura 08; Secciones esquemticas de turbinas multietapas, con recalentamiento.




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05 GENERALIDADES SOBRE LOS COMPRESORES.

Los compresores son a los gases, lo que las bombas a los lquidos. En un sentido muy general

se debera hacer entrar en esta categora a las mquinas soplantes y a los ventiladores, con el

trmino compresor designamos a toda mquina mecnica que permita la compresin o

transporte de gases.

Estos equipos auxiliares de la fabricacin, tienen en general un precio muy elevado y un

funcionamiento delicado, a la vez que sus responsabilidades son enormes para la buena marcha

de las unidades. Su fallo es siempre una avera muy grave, que debe ser corregida con rapidez.

06 GENERALIDADES SOBRE LOS GASES.

El estado gaseoso se caracteriza porque los gases llenan completamente el recinto en el cual

estn contenidos; si el recipiente aumenta de volumen el gas ocupa inmediatamente el nuevo

espacio, lo cual slo es posible si existe un empuje, una fuerza ejercida contra las paredes.

Es tambin conocido desde hace muchos siglos, debido a los experimentos de Boyle, que el

volumen de un peso dado de cualquier gas seco, a temperatura constante, vara inversamente a

la presin a que se somete. Este experimento, cuya formulacin precisa se debe a Mariotte, ha

dado lugar a la ley de Boyle-Mariotte cuyo enunciado es el siguiente:

Para cualquier masa de gas seco,(masa invariable), a temperatura constante, el producto de la

presin por el volumen correspondiente es constante.

Figura 09; Descripcin esquemtica de la ley de Boyle-Mariotte.




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La relacin entre volumen V y temperatura T nos la da la ley de Gay-Lusac; que afirma

que el volumen de una masa dada de cualquier gas a una presin constante aumenta en 1/273

de su valor a 0 C por cada grado centgrado que aumenta su temperatura. En otras palabras, a

una presin constante, el volumen de un gas es proporcional a su temperatura en K.

Figura 10; Descripcin esquemtica de la ley de Gay-Lusac.

La tercera ley de los gases, conocida como ley de la presin, establece que a volumen

constante, la presin de un gas es proporcional a su temperatura absoluta (en K); es decir,

P/T = constante.

stos y otros comportamientos de los gases se deben a lo que se ha denominado teora cintico-

molecular de los gases, cuyos postulados son los siguientes:

j Un gas est constituido por un enorme nmero de molculas en continuo movimiento.

k Si las molculas estn constituidas por un solo tomo, su movimiento es solamente de

traslacin; si por el contrario estn formadas por varios tomos, existen tambin

movimientos de rotacin de la molcula y de vibracin de los tomos.

l Los choques de las molculas contra la superficie M recipiente donde est contenido el gas

da lugar a la presin que ejerce el gas,

m Aunque extraordinariamente pequeo, las molculas tienen un cierto volumen, por lo que

chocan entre s dando lugar al movimiento catico molecular, en el que las molculas se

mueven en zig-zag en todas las direcciones y con todas las velocidades.

Aunque a temperatura ordinaria la velocidad es de algunos centenares de metros por

segundo, la distancia media entre dos choques, denominada recorrido libre medio, es muy

pequea, del orden de 0,00001 mm (cienmilsimas) en C.N.(condiciones normales),

variando inversamente a la presin.




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n Como las molculas no se sedimentan, los choques entre s y contra las paredes del

recipiente son completamente elsticos, por lo que no vara la cantidad de movimiento.

o El calor no es una forma especial de energa, sino que consiste en la energa mecnica de sus

molculas, de tal forma que el calor de un gas viene determinado por la suma de la energa

cintica de sus molculas.

p Las molculas se atraen entre s por fuerzas que dependen de su estructura, de su posicin

relativa y de la distancia que las separa. Debido a ello tienen una cierta energa potencial que

depende de la presin. Cuando la presin n tiende a cero, las fuerzas atractivas y la energa

potencial tienden a ser nulas.

Estos postulados explican que:

Si se comprime un gas, al disminuir el volumen ocupado por el mismo, los choques

moleculares contra las paredes sern ms frecuentes y, por lo tanto la presin aumenta.

Si se aumenta la temperatura del gas, lo que significa que la energa cintica de las

molculas se hace mayor, los choques moleculares contra las paredes sern ms frecuentes y

vigorosos y en consecuencia la presin aumenta.

Por otra parte la estructura mecnica establecida en los anteriores postulados permite aplicar a

las molculas en movimiento las leyes de la dinmica, deducindose a partir de ellas la

ecuacin:

P x V = n x R x T

Que liga la presin P, la temperatura T y el volumen V de un gas y que se denomina

ecuacin general de los gases perfectos, (debido a que los gases reales no cumplen dicha

ecuacin), con el valor R = constante universal o molar de los gases = P0V0 / 273,15 K; siendo

n = n de moles que intervienen en la ecuacin.

El comportamiento de los gases reales en la compresin como se ha indicado no sigue la

exactamente la llamada ecuacin general de los gases perfectos, Segn la anterior ecuacin

de los gases ideales, PV = nRT, si una masa de un gas cualquiera se somete a cambios de

presin sin variar la temperatura, el producto PV debe de ser constante, es decir, que si de un

estado inicial P y V se pasa a otro P1 y V1, siendo P1 > P, se cumplir que:

PV = P1V1.




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Ahora bien, esto no es absolutamente cierto para los gases reales, tal como se puede ver en las

curvas en las figuras reflejadas en la pagina siguiente, obtenidas para distintos gases y distintas

presiones. Estas curvas nos indican que la desviacin del comportamiento ideal depende del

gas, de la presin a que se ha sometido y de la temperatura a que se investiga.

A temperaturas ordinarias, los gases reales son inicialmente ms comprensibles, el producto PV

disminuye, hasta llegar a una presin a partir de la cual se comportan a la inversa,

comprimindose menos de lo que podra esperarse, si bien existen otros gases, como el

hidrgeno, que son en todo momento menos comprensibles, aunque a temperaturas

suficientemente bajas se comportan anlogamente a los otros gases.

Figura 11; Grficos de la relacin entre el producto PV y la presin.

La forma de estas curvas, por las que los gases reales al aumentar la presin son inicialmente

ms compresibles y despus menos compresibles que un gas perfecto, se debe a dos causas

opuestas que provocan la desviacin del comportamiento ideal:

? La atraccin molecular, que frena las molculas en el momento del choque y da lugar a que

la presin resultante ejercida sea menor que el valor calculado ideal.

? Que las molculas tienen volumen propio, no son puntos materiales y, por consiguiente, el

volumen que puede disminuir, al aumentar la presin, no es el volumen totalmente ocupado

por el gas sino el volumen que las molculas tienen realmente disponible.




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Una prueba de la existencia de fuerzas atractivas entre las molculas de un gas, es el hecho de

que al expandirse bruscamente se enfra aunque no se verifique trabajo exterior (Efecto

Joule-Thompson), ya que al expandirse, las molculas quedan ms separadas por lo que debe

consumirse trabajo para vencer las fuerzas de cohesin que tienden a unirlas.

Como este trabajo se realiza a expensas de la propia energa cintica del gas, sta disminuye y

en consecuencia la temperatura se hace menor {T= f(v) }.

Por otra parte las molculas ocupan un cierto volumen lo que da lugar a que cuando dos de

ellas se encuentran, sus centros no estarn en contacto como ocurrira si fuesen puntos

materiales, como se aprecia en el dibujo adjunto, sino que estarn separadas una distancia igual

al doble de su radio molecular, es decir, hay un

volumen inaccesible a las dos partculas imaginadas

como puntos materiales, como se refleja en el dibujo

siguiente.

Figura 12; Separacin (mnima) entre centros de molculas gaseosas.

El volumen accesible que realmente se modifica, al modificar

la presin, es igual al volumen total ocupado por el gas menos

un volumen terico, llamado covolumen, que corresponde al

ocupado por las molculas.

Figura 13; Representacin (simblica) del volumen y el covolumen.

La anterior expresin PV = nRT, se convierte entonces, para un mol (*) de gas real, en la

siguiente expresin:

(P+a/V2) (V-b)= RT (ecuacin de Van der Waals).

Donde a y b son valores caractersticos de cada gas y varan algo al variar la presin y la

temperatura.

(*) Un mol molcula gramo, es la cantidad de cualquier sustancia cuyo peso en gramos es

igual a su masa atmica o molecular, es decir, un mol de agua = H2O = 18 g.




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Prcticamente la desviacin de los gases reales con respecto a los ideales, en el caso de la

comprensin, se compensa a travs del factor de compresibilidad, Z, definido por la relacin

entre el volumen de un gas en unas condiciones de presin y temperatura y el que tendra si su

comportamiento fuese ideal. Teniendo en cuenta dicho factor, la ecuacin general de los gases

reales sera:

PV = ZRT

Los valores de Z estn recogidos en grficos para la mayora de los gases. En la figura siguiente

se indican los valores de Z para el aire en funcin de la presin (PSI) y la temperatura (F).

Figura 14; Grfico para determinar el factor de compresibilidad del aire.

Cuando se efecta la compresin de un gas, se produce el calentamiento del mismo, debido a

que el trabajo realizado por el mbolo en su recorrido es transmitido al gas producindose un

aumento de su energa interna, el cual se reparte en dos conceptos:

? Una pequea parte aumenta las fuerzas de cohesin de sus molculas para aproximarlas.

? El resto se obtiene del incremento de la velocidad de las molculas, ya que en los choques

que se producen entre las molculas del gas y el mbolo mvil, hay una variacin, aumento

de la cantidad de movimiento de las mismas, y en consecuencia hay un aumento de la

velocidad y por lo tanto de la temperatura (calor).




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La existencia de dicho calor determina la existencia de dos ciclos bsicos de compresin:

Compresin isoterma (T= cte.), en la cual la temperatura del gas es mantenida constante a

medida que aumenta la presin y que se expresa (para un gas ideal) mediante la ecuacin:

PV = P1V1 = constante.

Compresin adiabtica, en la cual no se elimina o aade calor durante la misma y que se

expresa por la ecuacin: PVk = PV1= constante.

Donde k representa la relacin entre los calores especficos, a presin y temperatura

constantes. k= cp / cv

En la prctica, en compresores, es imposible realizar uno de estos ciclos de compresin puros;

por la imposibilidad de eliminar el calor tan rpidamente como se produce y que durante una

parte del ciclo tambin puede haber una prdida calor. En la realidad, el funcionamiento de los

compresores de gas se basa en:

El desplazamiento de un mbolo con la consiguiente reduccin del volumen, compresores

alternativos.

En comunicar energa cintica al gas por la accin de la fuerza centrfuga trasmitida por

unos labes giratorios, y su posterior conversin en energa de presin, compresores

dinmicos.

En el primero de los casos el ciclo se aproxima ms al ciclo adiabtico, mientras que en el

segundo caso, de los compresores dinmicos, estos se adaptan ms a lo que se denomina ciclo

politrpico, cuya expresin viene determinada por la ecuacin:

PVn = P1V1n= constante.

Siendo n un exponente determinado experimentalmente para un tipo dado de mquina y que

puede ser mayor o menor que el exponente k de la compresin adiabtica.

No se ha considerado como un ciclo bsico de compresin, en razn de que el exponente n se

determina experimentalmente teniendo en cuenta la eficiencia y condiciones reales de la

mquina.




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07 USOS DE LOS COMPRESORES.

Los compresores se utilizan para suministrar aire comprimido y/o reducir el volumen de un gas,

se utilizan principalmente, para servicios diferentes:

j Aire de servicio; este aire de servicio debe tener una presin de 7 a 10 kg/cm2, debe estar

parcialmente desecado y tener un bajo nivel de aceite; sus usos son:

Alimentacin de la admisin (aire motor) de servomotores y de las vlvulas de control.

Para funcionamiento de las herramientas neumticas.

Para accionamiento de aparejos y cabrestantes, en atmsferas gaseosas.

k Aire de procesos ; este aire no suele ser suministrado por la red de utilities, sino

directamente por un compresor, que forma parte de los elementos auxiliares de la instalacin

de proceso; se utiliza en:

? Insuflado de aire para agitacin de lquidos.

? El transporte neumtico de catalizador o tierras activadas.

? La regeneracin de catalizadores por combustin.

? Los diversos procesos de oxidacin.

l Aire de instrumentos; cada vez se utiliza en menor cantidad; las especificaciones con

origen en los EE.UU., slo prevn una presin de impulsin de 5 kg/cm2 y que la presin de

utilizacin no exceda de los 2,8 kg/cm2, se utilizan los compresores de aire de pistn, porque

dan una presin de 8 a 10 kg/cm2 que proporcionan un amplio coeficiente de seguridad, para

las prdidas de carga en las lneas de distribucin y en el secador; se emplea para:

El control de la modulacin del aire de servicio, de las vlvulas de regulacin y/o control.

El mando directo de las pequeas vlvulas de control.

El mando de la regulacin de los compresores de gas, tipo dual control.

La sobrepresin de cajas de aparatos elctricos en zonas antideflagrantes.

La sobrepresin (algunas veces), de salas de control completas.

Los compresores de gas se emplean en:

Reformado cataltico para el reciclo, a alta presin, de los gases ricos en hidrgeno.

Las unidades de fraccionamiento de gases, para dar presin a torres, o para licuar los gases.

Las centrales frigorficas, para el desparafinado de aceite y el desasfaltado con propano;

Como tapn en el transporte de gas natural a travs de un pipe- line.

La reinyeccin de gas en los pozos de extraccin.




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08 CARACTERSTICAS DE LOS COMPRESORES.

Desde un punto de vista geomtrico, los compresores son semejantes a las bombas del mismo

tipo, salvo que en lugar de lquidos, trasiegan aire o gases; en particular, un compresor alternativo

es idntico a una bomba alternativa, estando formado por; cilindro, pistn deslizante, vlvulas de

aspiracin, etc.

Son cuatro los mtodos que se emplean para comprimir un gas:

? Confinamiento de un determinado volumen de gas en un recinto, reduccin del volumen del

recinto, con el consiguiente aumento de la presin del gas, y descarga del gas.

? Atrapamiento consecutivo de una determinada cantidad de gas en un recinto, transportando-

lo dentro de l sin cambio de volumen hasta el punto de descarga en donde se produce la

compresin del mismo por contrapresin.

? Compresin del gas por la accin mecnica de impulsores o paletas giratorias que le

confieren velocidad y algo de presin, conversin posterior de la energa de velocidad en

energa de presin mediante la accin de difusores o paletas fijas.

? Introduccin del gas a comprimir en una tobera por la que circula el mismo gas u otro a gran

velocidad y posterior conversin de la velocidad de la mezcla en presin mediante un

difusor.

Analizando los anteriores mtodos se desprende que en los dos primeros casos se suministra un

caudal intermitente de gas, mientras que en los otros dos el caudal de gas suministrado es

continuo.

Figura 15; Esquema de las caractersticas de los compresores.




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09 TIPOS DE COMPRESORES.

Sus diferencias vienen motivadas por la compresibilidad del fluido, y el campo de aplicacin,

que es definido por caudales limitados y altas presiones (4.000 kg/cm2). Los compresores que se

emplean en las refineras y en las plantas de proceso, como se ha mencionado, se diferencian de

acuerdo con el fluido transportado; aire o hidrocarburos gaseosos, pero tambin deben ser

diferenciados por sus condiciones de funcionamiento, como se ve en el esquema precedente, en

base a este ultimo aspecto, el ms habitual, se pueden clasificar como:

? De flujo intermitente.

? De flujo continuo.

Tambin pueden ser clasificados por la forma de su movimiento, como:

Alternativos.

Rotativos.

Dinmicos.

Los compresores alternativos, o de embolo; pueden tener los cilindros en horizontal, en vertical,

en "V"; en "L"; se utilizan para toda clase de uso y caudal. Su potencia llega hasta 6.000 CV. Su

caudal puede alcanzar los 500 m3/hora, medido en las condiciones de aspiracin.

Los compresores rotativos; pueden ser; de paletas, de lbulos, de tornillo, axiales, o

centrfugos; sus caractersticas fundamentales son:

Permiten un caudal de hasta 1.500 m3 /hora, en las condiciones de aspiracin.

Pueden llegar a una relacin volumtrica de compresin, de 1 a 15.

Sus ventajas principales son:

Carencia de aparatos auxiliares.

Bajo nivel de entretenimiento.

Rendimiento equivalente a los compresores de pistn para potencias superiores a 500 CV.

Los inconvenientes de los compresores rotativos; son:

? Coste elevado.

? Dificultades para suministrar un fluido seco.




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10 LOS COMPRESORES ALTERNATIVOS.

Estn constituidos en su forma ms elemental por un cilindro en

cuyo interior se desplaza un mbolo y que mediante la accin de dos

vlvulas, aspiracin e impulsin, que abren cuando la presin

diferencial alcanza un determinado valor, permite comprimir un

fluido. Segn sea una o las dos caras del mbolo las que pueden

comprimir el gas, se les denomina de simple o de doble efecto.

En las refineras se utilizan los compresores accionados por turbinas

y reductor, o bien, por un motor de gas. En tiempos pasados se han

utilizado compresores alternativos accionados por cilindros de vapor,

que prcticamente no se utilizan hoy en da, tampoco se usan los

accionados por un motor elctrico, por los problemas de instalacin

que presentan en las zonas peligrosas.

Figura 16; Seccin de un compresor de doble efecto.

Las magnitudes necesarias para definir un compresor de este tipo son:

? Qv = Caudal en volumen.

? Qp = Caudal en peso.

? P1 y P2 = Presin del gas en la aspiracin y en la impulsin.

? T1 y T2 = Temperatura del gas en la aspiracin y en la impulsin.

Para obtener el caudal en peso, partiendo del caudal en volumen, es necesario conocer el peso

especifico g del gas, en condiciones de aspiracin y aplicar la formula:

Qp = Caudal en peso en kg/h = Qv en m3 /h x g en kg /m3.

Las caractersticas de funcionamiento de estos equipos vienen condicionado por cuatro

parmetros principales:

j Relacin de compresin t; si llamamos Pa a la presin absoluta de aspiracin y Pr a la

presin absoluta de impulsin, la relacin de compresin t se define por: t = Pr / Pa

Limitada por etapa, de 1 a 4, si el aparato se encuentra en una zona antidefiagrante, para los

compresores que absorben ms de 15 CV, cualquiera que sea el fluido comprimido.




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Para los dems casos de utilizacin, es del orden de 1 a 11; esta relacin no se alcanza en la

prctica, ya que se obtiene economa de potencia multiplicando el nmero de etapas.

Esta economa resulta de la reduccin de volumen aparente en la aspiracin de la etapa

siguiente, por la posibilidad de efectuar una refrigeracin intermedia entre cada etapa, pero

se tiene una prdida de potencia, por la prdida de carga en el circuito refrigerante, que

obliga a aumentar la relacin de compresin en la prxima etapa.

Por ultimo, la relacin de compresin queda limitada por la temperatura terica de la salida

del fluido, que no debe sobrepasar los 180 C, para que tengan un buen funcionamiento las

vlvulas de salida (escape) y la lubrificacin.

k La potencia de compresin, que se expresa en CV /103 m3 /h., se determina con la ayuda de

grficos, considerando un rendimiento del 0,85 para la maquina y corrigiendo la densidad

del fluido respecto al aire.

l La velocidad lineal del pistn (embolo); en cilindros lubrificados, puede alcanzar los 3,5

m/s., cuando se utilizan aros (segmentos) grafitados, no se deben superar los 2,0 m/s., en

servicio continuo y los 2,5 m/s., en servicio intermitente.

Figura 17; Seccin descriptiva de motocompresor (2T) alternativo horizontal de doble efecto.

m La regulacin del caudal en funcin de alguno de estos elementos; presin de aspiracin

constante y/o presin de impulsin constante; esto se puede conseguir por diversos medios,

como los siguientes:




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? Variacin de la velocidad del sistema de accionamiento motriz del compresor.

? Dispositivos estticos o dinmicos mon-

tados en compresores de velocidad

constante.

Figura 18; Aspecto externo de motocompresor

alternativo, con motor de gas en V.

Figura 19; Seccin descriptiva de motocompresor alternativo horizontal, con motor de gas en V.

Figura 20; Aspecto externo de compresor alternativo horizontal.




23

11 LOS COMPRESORES ROTATIVOS.

En este tipo de compresores se produce un desplazamiento del gas por la accin de elementos

rotatorios, mientras que la compresin puede efectuarse de distintas formas, lo que da lugar a

distintos tipos de aparatos:

11.1 Los compresores de paletas.

Cuando el caudal a circular es tal que obligara a usar un compresor de pistones de

grandes dimensiones, y uno centrfugo no se puede encontrar a un precio razonable,

debido a la relacin de compresin que obligara a un nmero grande de etapas, el

compresor de paletas puede aportar, en algunos casos, una solucin interesante.

Estos compresores volumtricos rotativos tienen la ventaja de asegurar un caudal

continuo, prcticamente sin pulsaciones, si la frecuencia de paso de las paletas delante de

las lumbreras de impulsin es elevada. Su volumen es pequeo con relacin a su

capacidad y su simplicidad de

construccin reduce los gastos de

entretenimiento.

Figura 21; Esquema del funcionamien-

to del compresor de

paletas.

La estructura interna de estos

compresores, es idntica a las

bombas del mismo tipo.

Estn constituidos por un cilindro en cuyo interior gira un rotor con aletas que pueden

deslizar radialmente. Al girar el rotor, el gas contenido entre la pared del cilindro y cada

una de las celdas delimitadas entre dos aletas del rotor se va comprimiendo hasta llegar al

orificio de salida.

No necesitan disponer de vlvulas de admisin y de escape, pudindose variar la presin

final alcanzada por el gas segn sea la situacin del orificio de descarga.




24

11.2 Los compresores de lbulos.

Estn constituidos por una carcasa o envolvente formada por la interseccin de dos

cilindros paralelos, en cuyo interior giran en sentido contrario dos rboles provistos de

engranajes loblares que engranan mutuamente. El gas es atrapado entre cada una de las

celdas definidas por los lbulos y la envolvente, siendo transportado hasta el punto de

descarga en cuyo momento se

produce la compresin del gas por

contrapresin.

Figura 22; Esquema del funciona-

miento del compresor de

lbulos.

11.3 Los compresores de tornillo.

Estos compresores estn constituidos por una carcasa en cuyo interior giran, en sentido

contrario, dos rotores helicoidales que engranan entre s. Estos compresores son

homlogos a los de lbulos, cada cuerpo de compresin esta formado por dos rotores

cuya seccin, por un plano perpendicular a su eje de rotacin, se muestra en la figura.

El fluido es transportado axialmente debido al movimiento de los

rotores y simultneamente va siendo comprimido contra la pared

de la carcasa. Segn se siten los orificios de salida variar la

relacin de compresin.

Figura 23; Seccin de un compresor de tornillo.

Es decir, la seccin evoluciona a lo largo del eje segn un helicoide, de manera que el

contacto entre los perfiles no se efecta sino un plano perpend icular al eje, y en el curso

de la rotacin el contacto se desplaza de una extremidad a la otra de los rotores.




25

Al avanzar el engrane de los dos perfiles, el vaco entre ellos se rellena de gas a

comprimir, que entra a travs de las lumbreras. Cuando la rotacin hace cesar la

comunicacin con la aspiracin, el gas queda aislado y comienza la compresin.

El plano de contacto se desplaza paralelamente al eje de los rotores, empujando el gas

haca la otra extremidad donde escapa a travs de las lumbreras de impulsin. El

funcionamiento se efecta solamente por contacto de aproximacin de los rotores; no hay

entonces ninguna friccin y no es preciso ningn engrase en la parte del compresor en

contacto con el gas.

Las ventajas de este compresor, radican en un mnimo mantenimiento, la ausencia de

piezas con rozamiento, y un caudal continuo prcticamente exento de pulsaciones.

Figura 24 Seccin descriptiva de un compresor de tornillo.

En el dibujo precedente se puede apreciar una vista seccionada de un compresor de

husillo. En una de sus extremidades se encuentra un crter en el que se hallan dos piones

dentados, enchavetados sobre cada rotor, para asegurar su sincronismo.

Solamente transmiten un par muy dbil, pues el par debido a la compresin queda

suministrado por el eje del motor conjugado, que es accionado por la caja de engranajes

situada en el otro extremo.




26

12 LOS COMPRESORES DE FLUJO CONTINUO.

Son compresores dinmicos constituidos por una carcasa en cuyo interior va alojado un rotor

de labes o paletas, las cuales al girar comunican energa cintica al gas para posteriormente

convertirla en energa de presin por la accin de un difusor o de paletas estacionarias. Dentro

de ellos se pueden distinguir dos tipos:

? Compresores centrfugos.

? Compresores axiales.

Para establecer la diferencia entre las diferentes maquinas rotativas que manejan o mueven

volmenes de aire o gas, el Compressed Air & Gas Institute ha hecho la siguiente

clasificacin:

Sopladores o turbo-sopladores; cuando la presin manomtrica en la descarga es inferior a

40 PSI 2,8 kg/cm2.

Compresores o turbocompresores, cuando la presin de la descarga es superior a 40 PSI.

Ventiladores; son mquinas centrfugas de baja velocidad, que manejan grandes volmenes

de fluidos a presiones manomtricas muy bajas, inferiores a 1,0 PSI 0,07 kg/cm2.

12.1 Los compresores centrfugos.

En este tipo de compresores el gas fluye radialmente desde el centro del compresor a la

periferia y la energa transferida al mismo viene determinada por la accin de la fuerza

centrfuga que acta sobre l. El gas es posteriormente recogido en la voluta exterior y

pasa a un difusor donde se transforma la energa d velocidad en energa de presin.

Estos aparatos funcionan segn el mismo principio que las bombas centrfugas, es decir,

proporcionan el bombeo o accin compresora por la rotacin de los labes en el rodete;

tienen una o ms etapas de compresin; cada una posee un rodete, en el cual el gas recibe

una energa cintica, que se transforma

en presin en el difusor.

Figura 25 Seccin descriptiva de un compre-

sor centrfugo de una etapa.




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Figura 26 Aspecto externo de un

compresor centrfugo de

una etapa.

Figura 27 Seccin descriptiva de

un compresor centrfu-

go de una etapa.

A la salida del rodete, en el caso de los compresores multietapa, el gas a presin se dirige

hacia la aspiracin del siguiente rodete, a travs de un canal, que tiene, algunas veces

labes fijos destinados a evitar los torbellinos y reducir la prdida de carga entre etapas.

La diferencia entre un compresor centrfugo de pasos mltiples y una bomba centrfuga

del mismo tipo, es que en los compresores el ancho de los rodetes va disminuyendo

desde la admisin a la salida (alta presin) debido a la disminucin del volumen del

fluido cuando el gas se comprime.




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Figura 28; Seccin descrip-

tiva de compre-

sor centrfugo

multietapa.

Los compresores centrfugos tienen rodetes radiales y el flujo pasa a travs de la mquina

en direccin axial. Estos rodetes pueden ser abiertos, semicerrados, o cerrados. Los

labes pueden ser rectos o curvados hacia atrs.

En las unidades de pasos mltiples se tienen difusores, localizados entre los diferentes

pasos a fin de obtener una conversin ms eficiente del factor de velocidad, al de carga de

presin estas mquinas centrfugas tienen ventajas muy definidas sobre los compresores

de pistn cuando se manejan grandes volmenes de aire a bajas presiones relativas.

Gran parte de la terminologa que se usa en los compresores centrfugos es la misma que

ya se ha utilizado para las bombas centrfugas, pese a lo cual se citan a continuacin:

? Paso simple; cuando el compresor dispone de un solo rodete , hilera de aletas, o

labes.

? Pasos mltiples; cuando se dispone de dos o ms rodetes, hileras de aletas, o labes.




29

? Grupo simple; definido por el Air & Gas Institute, como cualquier grupo de rodetes

o difusores separados, que trabajan como una unidad acoplada en el mismo eje, con

cubierta simple y sin enfriamiento entre los rodetes.

? Grupo de pasos mltiples; cuando se tienen dos o ms grupos de pasos, accionados

por el mismo motor y con enfriamiento entre ellos.

? Presin equivalente de aire; es un trmino utilizado en compresores centrfugos y

axiales, a efectos de comparacin. Es la presin manomtrica en PSI, que un

compresor con carga normal puede desarrollar cuando succiona aire a la presin

absoluta de 14.4 PSI 1,0 kg/cm2 @ 60 F.

Constructivamente, el compresor esta realizado del siguiente modo:

j Un estator, constituido por dos partes unidas horizontalmente, metal contra metal, sin

juntas. Cada una de estas partes recibe por encaje los semi elementos fijos de la vena

de flujo, los difusores y los canales de circulacin de gas entre etapas.

Estos rganos fijos forman en el interior del estator, las separaciones que limitan cada

etapa y que contienen el orificio de paso del eje, que soporta los rodetes.

Figura 29; Vista en desmontaje, de un compresor centrifugo, con junta horizontal.

k Para evitar las fugas internas entre dos etapas contiguas, a travs del orificio de paso

del eje, se han situado los cierres de estanqueidad junto a/en los cojinetes de apoyo,

los cuales suelen estar divididos en dos partes y provistos de sello/engrase a presin.




30

l El rotor esta constituido por un eje que lleva, los cojinetes, el collar de empuje y el

pistn de equilibrio; sobre este rbol estn enchavetados los rodetes, cuya construccin

vara principalmente segn la velocidad perifrica. En los compresores centrfugos

actuales la velocidad perifrica llega a 350 m/s (1.260 km/h), lo que permite relaciones

de compresin de 1,5 a 2, por rodete. Estas velocidades slo son obtenidas en rodetes

soldados en atmsferas de argn, en el resto de los casos, solo se aceptan velocidades

mximas de 200 a 250 m/s.

En estos compresores, la estanqueidad es un problema crtico; se utilizan tres tipos de

cierre.

j Cierre de laberinto; se utiliza principalmente en los compresores de aire, en los que

se puede admitir una dbil fuga al exterior. Por el lado donde sale cada extremo de

eje, el laberinto est formado por laminillas y ranuras mecanizadas en el eje. Este

mecanismo de cierre puede ser complementado con un aro de grafito, a la salida de la

caja del laberinto, a fin de reducir la fuga que se produce a travs de la holgura de 0,2

a 0,3 mm. en el eje.

k Cierres mecnicos; se funda en el contacto de una junta fija de grafito, tefln, etc.,

con el eje; debido al rozamiento se produce un desprendimiento de calor. Para evitar el

deterioro del cierre, se inyecta aceite a presin para evacuar el calor, se utiliza hasta

los 20 kg/cm2.

l Cierres hidrulicos; la estanqueidad se consigue mediante una pelcula de aceite, que

se forma entre el cierre y el eje. El cierre est formado por un aro atravesado por el eje,

que lleva en su centro un orificio de llegada de aceite. El aceite entra bajo presin

entre el eje y el aro, para escapar por las bocas laterales, estas dos bocas situadas en

los lados de los aros de aspiracin e impulsin, se colocan a igual presin mediante un

tubo de equilibrio, que los deja unidos a una caja a presin, que recibe la fuga interna

del aceite.

La eficacia de la junta hidrulica reside en la diferencia constante de presin entre la

llegada del aceite al cierre y el fluido en el interior del compresor. Cuando esta

diferencia de presin cae por debajo de un cierto lmite, a causa de alguna avera en el

circuito de sellado, un dispositivo de seguridad para el motor o turbina de

accionamiento del compresor. El circuito de aceite de estanqueidad es siempre

independiente del de engrase y posee bombas, filtros y refrigerantes propios.




31

Cuando la relacin de compresin es importante aparece una elevacin de temperatura,

que es perjudicial tanto para la potencia a consumir, como para el buen funcionamiento

del compresor y, en particular, de su lubrificacin. Por ello es necesario refrigerar el

compresor; se utilizan dos mtodos:

? Circulacin de agua por el exterior del cuerpo de cada etapa crendose unas cmaras

de agua, como el motor de un automvil.

Cada etapa recibe el agua a la misma temperatura, de manera que se puede

tericamente mantener temperatura constante, a lo largo de todos los escalones. Es un

procedimiento costoso dada la forma complicada de las cmaras; su limpieza requiere

la parada del compresor presenta un volumen reducido.

? Refrigeracin exterior entre etapas; segn la construccin y condiciones de

funcionamiento, el fluido sale del compresor cada dos, tres o cuatro etapas, para ir a un

enfriador de agua, a la salida del cual es de nuevo introducido en la aspiracin de las

etapas siguientes. El enfriador, puede ser independiente del compresor, o formar parte

de l. Esta solucin da grandes dimensiones para el equipo.

La compresin de ciertos fluidos a alta presin presenta problemas de estanqueidad, que

no evita la junta horizontal del compresor clsico. Esto se resuelve colocando un

compresor con junta horizontal dentro de un cuerpo externo, con dos juntas verticales,

una en cada extremo.

Cada etapa lleva un difusor y un canal de retorno, es independiente y est formada por

semi elementos cilndricos colocados uno a continuacin de otro, constituyendo un

compresor multicelular en el interior del cuerpo externo. La horizontalidad de las juntas

de los cuerpos internos est asegurada por los ndices de centrado.

En el cuerpo externo se localizan las bridas verticales, que llevan los conductos de

aspiracin e impulsin, as como los cojinetes del eje y las cajas de los cierres

hidrulicos. Se obtiene as un conjunto perfectamente estanco.

Como se ha indicado, el tipo de accionamiento de un compresor condiciona su

regulacin.




32

En un compresor alternativo el caudal es funcin de su velocidad, en uno centrfugo

tambin depende de la resistencia que el fluido encuentra en la lnea de impulsin; hay

dos formas de regulacin:

j Funcionamiento a velocidad constante; la regulacin se consigue mediante una

vlvula colocada sobre el conducto de aspiracin, accionada por un servomotor

hidrulico o neumtico, gobernado mediante un caudalmetro en la aspiracin, para

regular el caudal o controlador de presin en la impulsin. Esta solucin produce un

laminado del fluido con su consiguiente prdida de carga.

k Funcionamiento con velocidad variable; en el caso de accionamiento mediante una

turbina, se gobierna la velocidad de rotacin con la variable regulada, que comunica su

impulso al regulador de la turbina, que, a su vez, da la abertura conveniente a los

obturadores de vapor o gas; debe considerarse que en las refineras es conveniente usar

una turbina de vapor, debido a las necesidades de vapor de media y baja tensin, de las

unidades, como en los campos de gas, resulta adecuado el accionamiento por turbina

de gas.

Figura 30; Vista en desmontaje, de un compresor centrifugo, con junta vertical.




33

Figura 31; Seccin descriptiva de un compresor centrifugo, con junta vertical.

12.2. Los compresores axiales.

Estn constituidos por un rotor dotado de aletas radiales que giran en el interior de una

carcasa, la cual a su vez lleva implantadas unas aletas estacionarias que delimitan, junto

con cada una de las aletas giratorias, una clula. Las aletas giratorias comunican energa

cintica al gas que es transformada en energa de presin por la accin de las aletas

fijas.

Figura 32; Seccin esquemtica de un compresor axial.




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Son compresores utilizados en baja y mediana presin y con una amplia escala de

capacidad. Se utilizan generalmente en turbinas, tneles de viento, plantas de

separacin neumtica, ventilacin, etc. Sin embargo tambin se utilizan ndustrialmente

en "craking" cataltico, fabricacin de productos qumicos, etc.

13 LOS EYECTORES.

Un eyector est formado por una cmara de aspiracin en la que se descarga vapor o gas a alta

velocidad mediante una tobera. Simultneamente, y en dicha cmara, se introduce el gas que se

desea comprimir siendo arrastrado por el anterior chorro mediante el efecto "Venturi".

La mezcla obtenida posee

una elevada velocidad,

producindose la compre-

sin mediante la transfor-

macin de la energa de

velocidad en presin por

la accin de un difusor,

tal como se indica en la

figura adjunta.

Figura 33; Seccin esquemtica de un eyector.

0201-TR Turbinas Gases & Compresores 2006

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