sistema de accionamiento del compresor

Cada sistema de aire comprimido comienza con un compresor, la fuente de flujo de aire para todos los procesos y equipos posteriores. Los principales parámetros de cualquier compresor de aire son la capacidad, la presión, la potencia y el ciclo de trabajo. Es importante recordar que la capacidad funciona. El estrés afecta la rapidez con la que se realiza el trabajo. Ajustar la presión de descarga de un compresor de aire no cambiará la capacidad del compresor, aunque muchas personas parecen creer que sí lo hará.

Hay varios diseños básicos de compresores de aire en el mercado hoy en día, y sus variantes. Todos se dividen en dos grandes categorías: desplazamiento positivo y dinámico. Aunque las especificaciones de funcionamiento de dos tipos diferentes de compresores de aire pueden parecer muy similares, otros factores de instalación y rendimiento pueden hacer que un diseño sea superior al otro en aplicaciones prácticas. Revisemos algunos diseños básicos y terminología.

Potencia y Eficiencia

La potencia del freno es una velocidad, capacidad y presión específicasLa potencia de entrada requerida por el eje de entrada del compresor.

El motor eléctrico o la potencia del motor es la clasificación nominal del motor principal. El factor de servicio es la potencia adicional integrada en el motor por encima de su capacidad nominal, expresada como porcentaje. Dentro del factor de servicio, la potencia al freno que acciona el compresor de aire puede ser superior a la potencia nominal del motor.

La eficiencia energética de un compresor es la relación entre el aire suministrado por el compresor y sus requisitos eléctricos de entrada. La eficiencia generalmente se expresa como caballos de fuerza al freno por 100 cfm de aire suministrado.

compresor alternativo

Un compresor alternativo es una unidad de desplazamiento positivo que atrapa el aire y luego reduce físicamente el espacio que lo confina, lo que hace que aumente su presión. Un dispositivo alternativo, comúnmente conocido como compresor de pistón, utiliza una disposición de pistón, cilindro y válvula. Funcionan de manera muy similar a los motores de combustión interna familiares, pero simplemente capturan y comprimen el aire sin agregar combustible para que explote. Tenga en cuenta que cada vez que se comprime aire, se genera calor. El enfriamiento adecuado de las partes internas de cualquier compresor de aire es una parte crítica de su diseño.

Para los compresores alternativos, se deben tomar tres decisiones de selección básicas:
• operación de acción simple o doble,
• Configuraciones de una o varias etapas, y
• Refrigeración por aire o agua.

En un compresor de pistón de acción simple, el pistón comprime aire en una sola dirección de su carrera. En el modelo de doble acción, el pistón comprime aire en ambas direcciones de su carrera. Obviamente, debido a que ambas carreras están funcionando, un compresor de doble acción es más eficiente (en términos de mover una cierta cantidad de aire por hp de entrada) que un compresor de acción simple del mismo tamaño.

Las unidades de una sola etapa comprimen el aire desde la presión de admisión hasta la presión de escape en una sola operación. Las unidades de etapas múltiples comprimen desde la presión de entrada hasta la presión de descarga en dos o más operaciones, generalmente pasando aire a través de un intercooler para eliminar parte del calor de la compresión entre cada etapa. Esto ahorra electricidad y mantiene la temperatura de funcionamiento interna del compresor más fría.

En un compresor enfriado por aire, el aire ambiente circula alrededor del cilindro del compresor y la cabeza de la aleta para brindar enfriamiento. El calor se transfiere al aire a través del metal. Las unidades enfriadas por aire generalmente están diseñadas para un ciclo de trabajo del 50 % al 75 %, según la unidad específica y su aplicación. En un compresor enfriado por agua, una camisa de agua integral rodea el cilindro y la culata. El calor se transfiere al agua a través del metal, de manera más eficiente que a través del metal al aire. Como resultado, las unidades alternativas enfriadas por agua reducen las temperaturas internas de manera más eficiente que las unidades comparables enfriadas por aire.

La mayoría de los fabricantes de compresores de aire consideran que un compresor de dos etapas es la mejor máquina para producir aire de clase 100 psi (el nivel de presión base en la mayoría de las plantas industriales) para brindar la mejor eficiencia de costo por dólar y la confiabilidad adecuada de las piezas de trabajo internas. Para que un compresor alternativo se clasifique como de servicio continuo, generalmente se asume que debe ser de doble efecto y enfriado por agua. Disponibles en una variedad de estilos, los compresores alternativos enfriados por agua de doble acción combinan una compresión de aire de alta eficiencia con durabilidad y confiabilidad. Sin embargo, también son voluminosos y relativamente caros de instalar. Suelen tener fuerzas desequilibradas más pronunciadas que, combinadas con su tamaño, requieren cimentaciones y soportes especiales.

Las unidades reciprocantes de acción simple de una y dos etapas son una buena opción cuando cumplen con criterios de selección como capacidad, peso, tamaño y precio, especialmente en el rango de presión de 50 a 150 psig.(Las unidades recíprocas de tres etapas están disponibles, pero generalmente se usan para presiones superiores a 250 psig).

Tipo de tornillo refrigerado por aceite


Los compresores de tornillo son otro tipo de máquina de desplazamiento positivo. En analogía con un compresor alternativo, el rotor macho actúa como un pistón, empujando el aire a lo largo del rotor hembra, que actúa como un cilindro. Los sellos son similares a los anillos de pistón y el aire se comprime en una placa final fija similar a la parte inferior del cilindro. Este diseño ha existido por más de 50 años. Sin embargo, hasta mediados de la década de 1970, se consideró adecuado solo para compresores portátiles accionados por motor y unidades de motor de pequeña potencia debido a su baja eficiencia (la relación entre el suministro de aire comprimido y el costo de la electricidad).

En la década de 1970, comenzó el desarrollo de compresores de tornillo rotativo de dos etapas para presiones de hasta 250 psi. El desarrollo de perfiles de rotor en las décadas de 1970, 1980 y principios de la de 1990 hizo que los diseños de tornillo rotativo refrigerado por aceite fueran una opción importante para los compresores de aire industriales, eléctricos y lubricados, especialmente en el rango de tamaño de 20 a 300 hp.

Como resultado, hubo un gran avance en el diseño de la nariz. La introducción de un perfil asimétrico aumenta la eficiencia en aproximadamente un 15%. Esta mejora es suficiente para hacer que los compresores de tornillo enfriados por aceite sean competitivos en servicio continuo de mayor potencia. Su eficiencia es casi la misma que la de las unidades de doble efecto de una sola etapa y los compresores centrífugos más pequeños.

Los compresores de tornillo de dos etapas pueden acercarse y, a veces, igualar el rendimiento a plena carga de las unidades alternativas de dos etapas en un servicio de clase de 100 psig. Hoy en día, los compresores de tornillo enfriados por aceite de dos etapas se usan a menudo en el rango de presión de 150 a 400 psia. También se utilizan para servicio de 100 psi, lo que proporciona un ahorro de energía significativo. Dos etapas brindan ventajas asociadas con relaciones de compresión más bajas por etapa. La presión diferencial reducida entre los rotores minimiza los escapes y reduce significativamente las cargas de los cojinetes de empuje.(Obviamente, una unidad de dos etapas requiere dos extremos de aire, lo que aumenta el costo inicial).

Tipo de tornillo rotativo refrigerado por agua
Otro compresor de tornillo sin aceite es un diseño de etapa única que usa inyección de agua para enfriar y sellar el rotor durante la compresión. Los cojinetes y los engranajes impulsores están lubricados con aceite y sellados con cámaras de compresión. Estas unidades sirven a mercados seleccionados y están especialmente diseñadas. En algunas aplicaciones, se debe tener cuidado para evitar la acumulación de bacterias en el agua.

La característica única de este compresor es que está refrigerado por aceite. El aceite inyectado en la corriente de aire absorbe el calor de la compresión a medida que se produce. Luego, el aceite calentado se lleva a un intercambiador de calor enfriado por aire o agua para su enfriamiento. Debido a que el enfriamiento se produce dentro del compresor, las piezas de trabajo nunca se ven afectadas por las temperaturas de funcionamiento extremas. El aceite refrigerante nunca se agrieta ni se quema. No hay puntos calientes dentro de la unidad de aire, sin importar cuál sea la carga del compresor. La falta de desgaste resultante da como resultado un servicio sin problemas y una alta eficiencia. En otras palabras, los compresores de tornillo refrigerados por aceite pueden funcionar a plena carga y presión, las 24 horas del día, los 7 días de la semana.

Tipo de tornillo rotativo sin lubricar

Además de los compresores alternativos no lubricados que se han vuelto tan comunes a lo largo de los años, existen varias versiones de compresores rotativos de tornillo o de leva de desplazamiento positivo no lubricados. Estas unidades se denominan compresores gap porque las partes internas no se tocan entre sí, por lo que no requieren lubricación en la cámara de compresión. El enfriamiento se logra a través de una camisa de agua a través de las paredes del cilindro.

¿Lubricado o Lubricado?
Los dos tipos básicos de compresores son lubricados y no lubricados. Los compresores lubricantes utilizan aceite para reducir la fricción entre las piezas móviles. Como resultado, se arrastra algo de aceite en el aire comprimido. El aceite arrastrado debe ser eliminado o tolerado por los sistemas aguas abajo.

Los compresores sin lubricante no usan aceite en la unidad principal, por lo que no se agrega aceite al aire comprimido que producen.

Las cuchillas o los tornillos tampoco se mueven entre sí. Son impulsados ​​por algún tipo de engranaje. El sistema de transmisión también actúa como un engranaje de sincronización para mantener con precisión la relación del perfil del rotor o la pala. Los lubricantes de la transmisión deben limitarse al área de los cojinetes y engranajes, y no deben ingresar a las cámaras de compresión.

En este diseño básico, existe una tasa de fuga constante para cualquier conjunto de condiciones fijas. Las holguras internas críticas se encuentran entre la cubierta del extremo y el rotor, entre las palas del rotor y entre el diámetro exterior del rotor y el diámetro interior del cilindro. Estos espacios, combinados con la ausencia de inyección de aceite para ayudar a sellar, son la razón principal por la que estas unidades requieren dos etapas para producir eficiencias aceptables en aplicaciones de clase de 100 psi.

Dado que se trata de unidades rotativas, tienen todas las ventajas de las unidades rotativas en comparación con las unidades recíprocas no lubricadas de tamaño similar:
• tamaño compacto,
• Suministro suave de aire frío,
• fácil de instalar, y
• Mantenimiento simple (pero crítico)

También tienen algunas desventajas, según el tipo específico de compresor y su ciclo de trabajo:
• más sensible al aire de admisión sucio,
• Menor eficiencia: lo que resulta en mayores costos de electricidad, y
• Cualquier trabajo de reparación es más complejo y requiere una formación especializada, que el usuario puede no tener y no quiere tener. Esto significa que es posible que el distribuidor o el fabricante deba realizar los trabajos de reparación.

Giratorio de paletas deslizantes

Los compresores de paletas enfriados por aceite funcionan como otros compresores de desplazamiento positivo al capturar el aire de admisión (en este caso, entre las paletas). A medida que gira el rotor excéntrico, las paletas se introducen a la fuerza en las ranuras del rotor, lo que reduce el tamaño de las celdas que contienen el aire atrapado. Cuando el aire llega a la salida, el aire se comprime a la presión de descarga total. El calor de la compresión se elimina inyectando aceite refrigerante directamente en el aire durante la compresión. El mismo aceite ayuda a sellar las puntas de las cuchillas.

Los compresores rotativos de paletas deslizantes enfriados por aceite han sido populares en aplicaciones de servicio continuo durante décadas. Están diseñados con muchas características únicas:
• Ligero: calificación continua,
• Configuración integrada y compacta,
• Producción eficiente de aire comprimido a velocidades de rotación relativamente bajas,
• Funcionamiento suave con poca vibración,
• Funcionamiento extremadamente silencioso,
• tan genial como sea posible•Volumen de escape
Menos, menos piezas de desgaste, mantenimiento conveniente y económico.

Sin embargo, los diseños de paletas rotativas enfriadas por aceite en configuraciones de una sola etapa tienen una capacidad limitada. El esfuerzo de flexión ejercido sobre la hoja es el problema. Para que la máquina sea duradera, se debe limitar la velocidad, el tamaño y el peso de las cuchillas. Por lo tanto, los compresores de paletas rotativas enfriados por aceite generalmente solo están disponibles en el rango de tamaño de 2 a 100 hp.

Compresor de aire dinámico

Los compresores dinámicos o centrífugos se diferencian de las máquinas de desplazamiento positivo ya discutidas en que aumentan la presión del aire al convertir la energía de la velocidad del aire en presión. Primero, un impulsor que gira rápidamente (similar a un ventilador) acelera el aire. El aire que fluye rápidamente pasa luego a través de la sección del difusor, convirtiendo su cabeza de velocidad en presión al dirigirlo hacia la voluta.

Dado que la centrífuga es un compresor de flujo másico, su rango de operación estable es limitado. Esto tiene un gran impacto en la operación económica o en la entrega de bhp/100 cfm a carga parcial. La capacidad mínima de ajuste de la centrífuga puede variar del 20% al 30% de carga completa, dependiendo del diseño del impulsor, número de etapas, etc.

Debido a limitaciones físicas y económicas, el aumento de presión que puede lograr un compresor centrífugo en una sola etapa es limitado, por lo que se construyen unidades de dos a cuatro etapas que contienen de uno a tres refrigeradores intermedios enfriados por agua. El aire entre las etapas de enfriamiento reduce la potencia requerida para comprimir aún más el aire, lo que aumenta la eficiencia operativa. El enfriamiento intermedio en realidad puede permitir que se logre la compresión requerida en menos etapas.

Los compresores centrífugos son definitivamente unidades de servicio continuo ya que su vida útil no se ve afectada por el funcionamiento a plena carga. Sin embargo, también es una máquina relativamente sensible, ya que funciona a altas velocidades, a menudo hasta 50.000 rpm. Los factores ambientales que afectan el flujo son la altitud, la temperatura del aire de entrada y la humedad relativa del aire de entrada. La vida útil de dichos dispositivos depende principalmente de la cantidad de líquidos y sólidos arrastrados que ingresan al dispositivo en la entrada, así como de la calidad del agua de refrigeración. Como con toda maquinaria, la instalación y el mantenimiento adecuados son esenciales para una producción de aire comprimido eficiente y una vida útil satisfactoria.

Los compresores centrífugos son una de las mejores opciones cuando una instalación requiere un suministro continuo de alto volumen (2000 a 25 000 cfm) de aire no lubricado. De hecho, es la única opción para tamaños superiores a 1000 hp. Si es mejor para la instalación es otra pregunta que debe responderse después de analizar las condiciones de trabajo. Independientemente, cuando se aplican, instalan y mantienen correctamente, los compresores centrífugos proporcionan una fuente confiable y continua de aire comprimido.

control de capacidad

Muchos programas de protección de aire comprimido en el lado de la demanda abordan los siguientes problemas:
• Identificar y reparar fugas de aire,
• Eliminar el soplado al aire libre,
• Reparación de drenaje de condensado defectuoso, y
• Gestionar todos los posibles usos indebidos.

Cuando estos procedimientos se completan con éxito, a menudo se encuentra que la instalación consume menos aire comprimido para la producción, pero el consumo de energía no se reduce proporcionalmente. Por qué: si el compresor no funciona correctamente con el control de capacidad adecuado, es imposible convertir de manera eficiente el menor uso de aire en una menor entrada de energía eléctrica.

Cuando opere efectivamente, el control de descarga del compresor deberá:
• Adaptar el suministro de aire a la demanda cuando sea necesario,
• Eliminar o minimizar la sobrepresión del sistema,
• mantener la presión del sistema operativo mínima aceptable necesaria,
• Reduce el costo de energía de entrada al punto óptimo de demanda de flujo de aire proporcional a la presión, y
• Apague los compresores de aire innecesarios y vuelva a encenderlos cuando sea necesario.

Independientemente del tipo de compresor de aire, el funcionamiento del control de capacidad se puede dividir en algunas categorías básicas.(Tenga en cuenta que algunos solo funcionan con ciertos tipos de compresores). A continuación se incluye una descripción de las categorías y las ventajas y desventajas de cada uno.

Control automático de arranque y parada — Este control simplemente arranca y detiene el motor o el variador automáticamente. Puede funcionar con cualquier tipo de compresor. Un interruptor de presión generalmente cumple esta función, apagando el motor en el límite de presión superior y reiniciando en la presión más baja del sistema.

Pro: Los compresores de aire funcionan en los dos modos más eficientes, a plena carga y apagados.

defecto: La mayoría de los motores de CA solo pueden soportar un número limitado de arranques en un período de tiempo determinado, principalmente debido a la acumulación de calor. Esto limita la aplicación del control automático de arranque y parada, especialmente para motores de más de 10 a 25 hp.

defecto: El compresor debe operar por encima de la presión mínima del sistema para mantener esa presión.

defecto: El sistema debe tener suficiente capacidad de almacenamiento de aire para operar satisfactoriamente.

Control de operación continua (Paso a paso): con estos controles, la unidad o el motor funcionan continuamente mientras el compresor de aire se descarga de alguna manera para igualar la oferta y la demanda. La presión del sistema normalmente controla el descargador. El control de operación continua se puede dividir en tipo de paso o tipo de modulación.

El más común es el control de dos pasos, que mantiene la entrada del compresor completamente abierta o completamente cerrada. El compresor funciona a plena carga (o a pleno caudal) desde una presión mínima preestablecida (o punto de carga) hasta una presión máxima preestablecida (o punto sin carga) en todo el rango operativo. En este último, el control cierra completamente el flujo de aire. Luego, la unidad opera sin flujo y completamente inactiva hasta que la presión del sistema vuelve al punto de carga. El control luego pasa inmediatamente a la capacidad de flujo total. El interruptor de presión generalmente inicia un control de dos pasos y puede ser el control principal en casi todos los tipos de compresores de aire o parte de un sistema de control dual.(Algunos compresores alternativos pueden equiparse con controles de 3 y 5 etapas).

Pro: El compresor funciona en los dos modos más eficientes: carga completa y ralentí completo, lo que mantiene el costo de la energía de entrada lo más bajo posible. El ralentí completo se puede lograr casi de inmediato con una potencia de entrada mínima, excepto en el caso de los compresores de tornillo lubricados o enfriados por lubricante.

defecto: Las tuberías adecuadas y el almacenamiento de aire adecuado son necesarios para permitir suficiente tiempo de inactividad dentro del rango de presión de funcionamiento para producir ahorros de energía significativos.

defecto: Cuando el control de dos pasos se usa incorrectamente, no solo hay poco o ningún ahorro en costos de energía, sino que los ciclos cortos (es decir, 20 segundos encendido/20 segundos apagado) pueden dañar el equipo y acortar la vida útil de los consumibles normales.

defecto: La contrapresión excesiva en los sistemas interconectados puede provocar ciclos cortos o descargas ineficaces.

defecto: Con una carga del 85% al ​​95%, los controles paso a paso consumen algo de energía adicional porque deben comprimirse a presiones más altas a plena carga para mantener la presión más baja del sistema de diseño.

Control de operación continua (modulación) — Estos controles coinciden con la oferta y la demanda con mucha precisión en todo el rango de presión de la banda de trabajo. La mayoría contiene algún tipo de regulador que realmente convierte la banda de control de presión de trabajo en una banda proporcional. Si la presión del sistema fluctúa tan solo 1 psi, el control de modulación reduce o aumenta el flujo proporcionalmente de inmediato, según la señal.(Este controlador generalmente solo se instala en compresores centrífugos y de tornillo refrigerados por lubricación).

Pro: La presión mínima establecida del sistema consume la potencia máxima. A medida que cae la demanda del sistema, aumenta la presión, disminuye el flujo y cae el uso de electricidad. Esto da como resultado ahorros a mayor demanda (a diferencia de la descarga en dos pasos, donde el consumo de energía en realidad aumenta a medida que cae la demanda del sistema).

Pro: Más eficiente bajo carga alta.

Pro: Mantenga una presión relativamente constante cuando la demanda se estabilice y responda rápidamente a cualquier cambio.

Pro: No depende de la capacidad de almacenamiento para operar eficientemente.

defecto: Por lo general, menos eficiente con cargas más bajas.

defecto: La contrapresión excesiva en las tuberías de interconexión puede obligar a varias unidades a operar con carga parcial cuando una o más pueden estar apagadas.

Resumir opciones

donde poner
Los compresores de aire industriales son máquinas resistentes que pueden operar en condiciones adversas, pero siempre se recomienda brindar las condiciones de operación adecuadas para maximizar la confiabilidad con costos operativos mínimos. Tradicionalmente, los compresores se han colocado en habitaciones separadas para aislar su ruido. Hoy en día, estas ubicaciones son casi obligatorias para cumplir con los requisitos de OSHA. Sin embargo, sigue siendo importante que la sala de compresores tenga los cimientos suficientes (especialmente para las máquinas reciprocantes), así como el espacio suficiente para que la máquina se pueda inspeccionar y mantener fácilmente. Las escaleras y los pasillos pueden ayudar con estos procedimientos en compresores más grandes.

Idealmente, la sala de compresores debe estar limpia y seca. Los equipos auxiliares, las tuberías y el cableado se dispondrán de modo que no interfieran con las inspecciones de rutina. El instrumento debe ubicarse donde el operador pueda verlo fácilmente.

Después de revisar esta reseña de compresores de aire, una conclusión es bastante obvia: cada diseño tiene ventajas y desventajas que deben adaptarse a la aplicación específica. La tabla anterior resume los factores de selección para algunos de los diseños básicos más comunes. Otros factores, como la calidad del aire y los requisitos de instalación, son difíciles de cuantificar. Los factores de costos inevitables (costo inicial, costo operativo y costo de mantenimiento) se explican a continuación.

Alternativo de doble efecto — Ventajas: máxima eficiencia, mayor vida útil, mantenimiento en campo. Desventajas: Alto costo inicial, alto costo de instalación, alto costo de mantenimiento.

Tornillo rotativo de una etapa sumergido en aceite — Ventajas: bajo costo inicial, bajo costo de mantenimiento, diseño de paquete. Desventajas: baja eficiencia.

Tornillo rotativo de dos etapas en baño de aceite — Ventajas: mayor eficiencia, diseño de paquete simple, bajo costo de mantenimiento. Desventaja: Mayor costo inicial.

tornillo sin aceite — Ventajas: alta calidad del aire, eficiencia moderada, diseño de empaque simple. Desventaja: Mayor costo inicial.

centrífugo — Pros: el único modelo disponible por encima de los 600 hp, alta calidad del aire, eficiencia moderada y vida más larga que otros rotores. Desventajas: alto costo inicial, debe ser enfriado por agua, el flujo de aire es sensible a los cambios en las condiciones ambientales.

Hank van Ormer es presidente de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos en Baltimore, Ohio. Para obtener más información, llame al (740) 862-4112.o visitar airpowerusainc.com .

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