Compresores

Son equipos que incrementan la presión de un gas, un vapor o una mezcla de

gases y vapores. La presión del fluido se eleva reduciendo el volumen específico

del mismo durante su paso a través del compresor. Se emplean principalmente

para refrigeración, acondicionamiento de aire, calefacción, transporte por

tuberías, almacenamiento de gas natural, craqueo catalítico, polimerización y en

muchos procesos quimicos. Según la forma de compresión se clasifican en:

a. Compresores de Desplazamiento Positivo:

Son compresores de flujo intermitente, que basan su funcionamiento en tomar

volúmenes sucesivos de gas para confinarlos en un espacio de menor volumen;

logrando con este efecto, el incremento de la presión. Se dividen en

dos grupos reciprocantes.

b. Compresores Dinámicos:

Son máquinas rotatorias de flujo continuo en la cual el cabezal de velocidad del

gas es convertido en presión; estos compresores, se dividen de acuerdo al flujo

que manejan en centrifugo (flujo radial) y axiales (flujoaxial) y flujo mezclado.

COMPRESORES CENTRIFUGOS

Reciprocante

Es una máquina de flujo continuo en la cual uno o más impulsores en rotación

agregan energía al gas. El flujo del gas entra en el centro del impulsor y es

descargado por la periferia del mismo a mayor velocidad y presión. Los

compresores centrífugos impulsan y comprimen los gases mediante ruedas de

paletas.

El compresor centrífugo se fundamenta esencialmente en una o varias ruedas

impulsoras, montadas sobre una flecha (eje) de acero y encerradas en una

cubierta de hierro fundido. El número de impulsores (turbinas) que se puede

ensamblar depende principalmente de la magnitud de la presión que queremos

desarrollar durante el proceso de compresión .Las ruedas impulsoras rotativas son

esencialmente las únicas partes móviles del compresor centrífugo y por tanto la

fuente de toda la energía impartida al vapor durante el proceso de compresión. La

acción del impulsor es tal, que tanto la columna estática como la velocidad del

vapor, aumentan por la energía que se imparte al mismo.

De forma ideal, un compresor dinámico aumenta la presión del fluido a base de

comunicarle energía. Esta energía cinética se transforma en un incremento de

presión estática cuando el fluido pasa por un difusor.

Funcionamiento

 Un compresor centrífugo eleva la presión de un gas, acelerando primero las

moléculas de gas y luego convirtiendo la velocidad de las mismas (energía

cinética), en presión (energía potencial) que tiene lugar en el rodete . El gas entra

al ojo (centro) del impulsor y es acelerado hacia la periferia del mismo, a medida

que este gira. Inmediatamente después, el gas entra a un difusor donde su

dirección es cambiada, causando desaceleración, lo cual convierte la energía

cinética del gas en energía potencial (presión). Si se quiere conseguir una presión

mayor, la cámara de retorno dirige el gas hacia el ojo del siguiente impulsor. El

gas

entraposteriormente en un colector o voluta al terminar una etapa de compresión y 

el descargado al proceso o pasa a un intercambiador de calor antes de ir a otras

etapas de compresión

Grafica

aspiracion rodete difusor de descarga

COMPRESORES AXIALES

. En los compresores de este tipo la corriente de aire fluye en dirección axial, a

través de una serie de álabes móviles situados en el rotor y de otros fijos situados

en la carcasa o estator, concéntricos todos ellos al eje de rotación. A diferencia de

la turbina, que también emplea álabes fijos y móviles, 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.

El aire al salir del compresor pasa a través de un difusor que lo prepara para

entrar a la cámara de combustión.

Funcionamiento

El compresor de flujo axial consta de múltiples rotores a los que están fijados los

álabes cuyo perfil es aerodinámico. El rotor gira accionado por la turbina, de

manera que el aire es aspirado continuamente hacia el compresor, dónde es

acelerado por los álabes rotativos y barrido hacia la hilera adyacente del álabes

del estator.

Este movimiento, por tratarse los álabes de perfiles aerodinámicos, crea una baja

presión en el lado convexo (extrados o lado de succión) y una zona de alta presión

en el lado cóncavo (intrados o lado de presión). El aire, al pasar por los álabes,

sufre un aumento de velocidad sobre la parte convexa inicial del perfil, para

reducirse luego cuando prosigue el movimiento hacia el borde de salida. Ocurre

por lo tanto un proceso de difusión. Este proceso se desarrolla a lo largo de todas

las etapas que componen el compresor.

La elevación de presión del flujo de aire se debe a este proceso de difusión, que

tiene lugar en los pasajes de los álabes del rotor y en un proceso similar realizado

en los álabes del estator. El estator sirve además para corregir la deflexión dada al

aire por los álabes del rotor y para que el aire pueda presentar el aire con el

ángulo correcto a la siguiente etapa, hacia la próxima etapa de los álabes del

rotor. La última hilera de los álabes del estator actúan como “enderezadores del

aire” a fin de limitar la turbulencia de manera que el aire ingrese al sistema de

combustión a una velocidad axial suficientemente uniforme.

A través de cada etapa el aumento de presión es muy pequeño, entre 1:1,15 y

1:1,35. La razón que motiva tan pequeño aumento de presión es que si se desea

evitar el desprendimiento de la capa límite y la consiguiente entrada en pérdida

aerodinámica de los álabes, el régimen de difusión y el ángulo de incidencia deben

mantenerse dentro de ciertos límites. La pequeña elevación de presión en cada

etapa, junto con la trayectoria uniforme del flujo de aire, contribuye a lograr la alta

eficiencia del compresor axial.

A medida que el aire avanza a través de las diferentes etapas del compresor la

densidad del aire aumenta, a la vez que la presión. Para mantener constante la

velocidad axial del aire a medida que se incrementa su densidad, desde el

extremo de baja presión hacia el de alta presión existe una reducción gradual en el

área anular de circulación de aire, entre el eje del rotor y el alojamiento del estator.

 

Es posible disminuir el área anular de circulación por aumento gradual del

diámetro del rotor, por disminución del diámetro de la carcasa, o por una

combinación de ambos.

COMPRESORES RECIPROCANTES

Es un máquina que admite un gas, lo comprime y lo descarga a una mayor

presión, trabaja con un proceso de cuatro etapas, que se dan en una vuelta del

cigüeñal, es decir en 360 grados, las cuales son: compresión, descarga,

expansión y succión.

son compresores de desplazamiento positivo de gran utilidad, debido a que

poseen mayor flexibilidad operacional que un compresor centrífugo; y por esto

pueden denominarse compresores de carga variable; a pesar de manejar menores

flujos de gas ,pueden alcanzar altas presiones y en muchos casos con un cambio

en la velocidad de giro, diámetro del cilindro o ajuste de bolsillos (revamping) se

ajustan a nuevas condiciones de operación de la instalación.

Un compresor reciprocante es básicamente un tipo de bomba en donde el aire es

comprimido por un pistón que se mueve dentro de un cilindro. El pistón es

empujado, por una biela conectora y un cigüeñal movido por algún tipo de motor.

Funcionamiento

Es un compresor de desplazamiento positivo, en el que la compresión se obtiene

por desplazamiento de un pistón moviéndose lineal y secuencialmente de atrás

hacia adelante dentro de un cilindro; reduciendo de esta forma, el volumen de la

cámara (cilindro) donde se deposita el gas; este efecto, origina el incremento en la

presión hasta alcanzar la presión de descarga, desplazando el fluido a través de la

válvula de salida del cilindro. El cilindro, está provisto de válvulas que operan

automáticamente por diferenciales de presión, como válvulas de retención para

admitir y descargar gas. La válvula de admisión, abre cuando el movimiento del

pistón ha reducido la presión por debajo de la presión de entrada en la línea. La

válvula de descarga, se cierra cuando la presión en el cilindro no excede la

presión de la línea de descarga, previniendo de esta manera el flujo reverso.

.

1. Compresión, durante este proceso el pistón se desplaza desde el punto

inferior, comprimiendo el gas hasta que la presión reinante dentro del cilindro sea

superior a la presión de la línea de descarga (Pd). Las válvulas succión y descarga

permanecen cerrada.

2. Descarga, luego de que la presión reinante dentro del cilindro sea superior a la

presión de la línea de descarga (Pd) que es antes de que llegue al punto murto

superior, la válvula de escape se abre y el gas es descargado, mientras que la de

succión permanece cerrada.

3. Expansión, durante este proceso el pistón se desplaza desde el punto muerto

superior hasta que la válvula de succión se abra durante la carrera de retroceso o

expansión, que será cuando la presión reinante en el interior del cilindro sea

inferior a la presión del vapor de succión (Ps).

4. Succión, luego de que la válvula de succión se abrió, que es un poco después

del punto muerto superior, ingresa el fluido, y el pistón se desplaza hasta el punto

muerto inferior, al final de la carrera de succión, la velocidad del pistón disminuye

hasta cero, igualándose las presiones del exterior y del interior del cilindro (aunque

por la velocidad del pistón no exista tiempo material a que éste equilibrio se

establezca); la válvula de succión se cierra, la válvula de descarga permanece

cerrada.

Tipos de compresores Ventajas DesventajasAplicación

Compresores

centrífugos

Se necesitan velocidades

muy altas en las puntas

para producir la presión.

.3.Un aumento pequeño

en la caída de presión en

el sistema de proceso

puede ocasionar

reducciones muy grandes

en el volumen del

compresor

se usan también en pequeñas turbinas de gas como APUs (generadores auxiliares) y motores turborreactores de pequeñas aeronaves (turboejes de helicópteros y algunos turbohélices).

Compresores axiales

.

* Mayores relaciones de presión

obtenibles mediante múltiples etapas de

compresión.

* Una menor área frontal y en

consecuencia menor resistencia al

avance.

* Menores pérdidas de energía debido a

que no existen cambios considerables

en la dirección del flujo de aire.

* Difícil manufactura y altos costos de producción. * Peso relativamente mayor al del compresor centrífugo por la necesidad de un mayor número de etapas para la misma relación de presión.* Alto consumo de potencia durante el arranque. * Bajo incremento de presión por etapa.

Combustión para

turbinas a gas.

Túneles de viento.

Altos hornos.

Ventilación.

Agitación de

aguas residuales

Compresores

Reciprocantes

Mayor flexibilidad en capacidad de flujo y

rango de presiones.

Más alta eficiencia y costo de potencia más

bajo.

Capacidad de manejar pequeños volúmenes

de gas

.

Presentan menores temperaturas de descarga

por su enfriamiento encamisado

Fundaciones más grandes

para eliminarlas altas

vibraciones por el flujo

pulsante.

Los costos de

mantenimiento son 2 a 3

veces más altos que los

compresores centrífugos

.

Refinerías y Petroquímica

Petróleo y Gas

Levantamiento artificial,

reinyección, tratamiento de

gas, almacenamiento de

gas, transmisión, gas

combustible,

booster, distribución de gas.Sin embargo

PROBLEMAS DE OPERACIÓN EN COMPRESORES DE TURBINAS DE GAS

Existe un límite por el cual el compresor dejará de operar en condiciones

estables conocido como “surge” o inestabilidad. La inestabilidad se produce

cuando la presión de admisión del compresor es mayor que la de descarga. En

esta situación el compresor será incapaz de impeler el flujo en la dirección

deseada, resultando esto en una separación y una inversión del sentido del

flujo.

Bombeo del compresor (Surge)

El fenómeno del surge ocurre cuando la velocidad de rotación del compresor no es

la suficiente como para gestionar todo el caudal de aire presente en su interior. En

ese momento, los álabes móviles (palas o aspas) del rotor empujan el aire hasta

hacerle alcanzar una velocidad supersónica, con lo cual la densidad del aire se

hace tan grande que se tropieza con los álabes de la etapa siguiente sin poder

continuar su desplazamiento hacia la descarga. Crea pues una barrera contra la

cual choca el aire que sigue siendo empujado por las etapas anteriores, creándose

una contrapresión que rebota hacia atrás. Este es el fenómeno del surge que

podría llegar a destruir el compresor. Pero mientras esto no ocurra, dicha presión

acaba por encontrar un escape hacia delante y el fenómeno se repite de forma

cíclica mientras no se corrija la situación. Por eso se le llama "bombeo" ya que la

presión se acumula y se descarga alternaticamente como podría ocurrir en una

bomba.

El sistema de anti bombeo (o anti surge) suele consistir en una extracción de aire

en una (o más) etapa intermedia o en un limitador del caudal de entrada.

En el bombeo puede ocurrir problemas principalmente de dos zonas:

• Zona aire: obstrucción del silenciador de entrada de aire al turbocompresor,

compresor dañado, enfriador del aire de barrido, rejilla de protección de entrada de

aire al compresor

.

• Zona gases: anillo de toberas de la turbina, economizador y silenciador de los

gases de escape, y depósitos en los álabes de la turbina de gases

Mapa de compresor

Cuando se diseña un nuevo compresor con cada uno de los componentes

mencionados, se definen sus prestaciones y se establece el rango de operación

que depende de las limitaciones de funcionamiento. En otras palabras, se definen

los rangos de consumo de flujo másico, los límites de velocidad de giro, los

valores de relación de compresión que se pueden obtener y la eficiencia que el

compresor es capaz de alcanzar en su trabajo de compresión para un

determinado valor de gasto másico. Toda la información basada sobre la

funcionalidad del compresor se puede

resumir en un solo gráfico donde se representan cada una de las variables antes

mencionadas (gasto másico, relación de compresión, velocidad de giro y

eficiencia), aunque también pueden ser expresadas por medio de los puntos de

equilibrio definidos mediante la potencia del compresor y la resistencia que genera

el sistema en que se encuentre el compresor, al que se le denominará sistema de

compresión y que comprende: aguas arriba del compresor desde la atmósfera y

aguas abajo, desde éste hasta el elemento que genera la resistencia en el

sistema, como por ejemplo, una válvula de control de caudal o bien, por ejemplo,

las válvulas de admisión de un motor.

El gráfico que contiene dichas variables es llamado comúnmente mapa de

compresor. Para poder obtener dicho mapa, el compresor es sometido a un

estudio experimental en que se miden cada una de las variables involucradas

(presión temperatura, gasto másico y régimen de giro del rotor). Al finalizar el

estudio, se relacionan cada una de las medidas de los diferentes parámetros y se

establece el mapa en que se hallan los rangos de caudal másico y relación de

compresión de trabajo y los límites de funcionamiento para cada velocidad de giro

del rotor del compresor. El procedimiento de caracterización de compresores es

válido tanto paralos axiales como para los centrífugos.

En la figura 2.3 se muestra un mapa de compresor, donde las curvas de trazo

continuo constituyen los valores constantes de la velocidad de giro. Cada uno de

los puntos de estas curvas es determinado por medio del valor del caudal másico

que consume el compresor corregido con las condiciones a la entrada del

compresor y la relación de compresión total a total. El mapa de compresor puede

ser considerado como una función escalar porque permite relacionar cada una de

las variables que intervienen sin necesidad de establecer una expresión

matemática para tal fin. De todas formas existe la posibilidad de dar una expresión

sencilla a esta relación mediante la ecuación (2.1) y (2.2). La primera de ellas

expresa el valor de la relación de compresión como función del gasto másico y de

la velocidad de giro del rotor del compresor, mientras que la segunda expresa la

eficiencia en función de las mismas variables anteriores

La eficiencia o rendimiento del compresor para cada uno de los puntos que

componen el mapa, se presenta en trazos discontinuos mediante líneas de forma

más o menos elípticas que representan valores constantes de rendimiento en todo

el rango de operación

También es posible representar un mapa de compresor por medio de las curvas

resistentes impuestas por el sistema de compresión y las líneas de velocidad de

giro constante, como se representa por medio de la figura 2.4. Esta forma de

presentar el mapa del compresor es usada por muchos investigadores para

mostrar la fuerte vinculación que existe entre el equilibrio del sistema de

compresión, en donde se encuentra funcionando el compresor, con la transición a

la inestabilidad del sistema debido a la aparición de inestabilidades aerodinámicas

acontecidas en algún o algunos

de los componentes del compresor, sobre todo en los vanos del difusor o bien en

las palas del rotor[2.14][2.15].

Cabe acotar que dos compresores de iguales en geometría y en perfiles

aerodinámicos de sus álabes, deben tener el mismo mapa. Esto debe tomarse

como algo lógico siempre y cuando no se tengan en cuenta cuestiones tales como

la dispersión en la mecanización y fabricación de los componentes que componen

los compresores, tales como, álabes de rotor o difusor. Esto puede traer alguna

leve variación del mapa, aunque muchas veces ésta llega a ser despreciable por

los fabricantes de estos componentes. En general, por cuestiones de rentabilidad,

se usan diferentes escalas de un mismo diseño de palas, para satisfacer la

demanda de distintas ramas de la industria. Como ejemplo vale el caso de los

rotores de los compresores centrífugos, en que para poder ser empleados en

diferentes cometidos para distintos rangos de caudal consumido por el compresor

junto a la relación de compresión usan los mismos álabes aunque variando la

anchura y largo. Japikse en una de sus publicaciones [2.16] muestra cómo un

mismo diseño de compresor puede valer para muchas utilidades dependiendo de

su tamaño, es decir, un compresor con las mismas características aerodinámicas

al que solo se le aumenta su tamaño para ser usado en distintos trabajos

Choque

Los puntos de choque están relacionados con el fenómeno de compresibilidad

provocado por las velocidades cercanas al valor sónico dentro del compresor. El

área transversal del canal, formado por dos álabes, es afectada por una onda de

choque provocada por la alta velocidad del gasto másico. En consecuencia el

valor del gasto másico tiene un límite porla estrechez de la garganta formada porla

onda de choque, sin que se pueda ser superado dicho valor.

Cualquier velocidad de giro en un compresor es capaz de trasegar un máximo

valor de caudal, limitado por la aparición de fenómenos de compresibilidad que

limitan el área de paso por los canales formados entre cada pala del rotor. Es un

fenómeno que se observa tanto en compresores axiales como centrífugos. El

efecto de compresibilidad puede aparecer en cualquiera de los dos componentes

del compresor siendo factible su aparición sobre la salida del rotor y entrada a

difusor, ya que en general es en esa zona donde se alcanzan las mayores

velocidades de avance del gasto másico.

http://riunet.upv.es/bitstream/handle/10251/1974/tesisUPV2737.pdf

http://books.google.co.ve/books?id=3NkfbokoggcC&pg=PA4579&dq=caracteristicas%20-

compresor-%20(surge)%20y%20(%20stonewall#v=onepage&q&f=false