Compresor centrífugo

Motor de reacción corte que muestra el compresor centrifugo y otras partes.

Los compresores centrífugos, también llamadoscompresores radiales, son un tipo especial

deturbomaquinaria que incluye bombas, ventiladores, o compresores.1

Los modelos más primitivos de este tipo de máquina2 eran bombas y ventiladores. Lo que diferencia a

estos de los compresores es que el fluido de trabajo puede ser considerado incompresible, permitiendo

así un análisis preciso a través de la ecuación de Bernouilli. Por contra, cualquier compresor moderno

se mueve a altas velocidades por lo que su análisis debe asumirse un fluido compresible.

Si se le quiere dar una definición, se puede considerar que los compresores centrífugos producen un

incremento de densidad mayor que un 5 por ciento. Además, la velocidad relativa del fluido puede

alcanzar un número de Mach 0.3 si el fluido de trabajo es aire o nitrógeno. Por otro lado, los ventiladores

incrementan mucho menos la densidad y operan a Mach mucho más bajo.

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

cinética-energía/velocidad con el rotor. Esta energía cinética se transforma en un incremento de presión

estática cuando el fluido pasa por un difusor.

[editar]Ventajas

Los compresores centrífugos se usan industrialmente por varias razones: tienen menos componentes a

fricción, también relativamente eficientes, y proporcionan un caudal mayor que los compresores

reciprocantes (o de desplazamiento positivo) de tamaño similar. El mayor inconveniente es que no

llegan a la relación de compresión típica de los compresores alternativos, a menos que se encadenen

varios en serie. Los ventiladores centrífugos son especialmente adecuados para aplicaciones donde se

requiere un trabajo continuo, como el caso de sistemas de ventilación, unidades de refrigeración, y otras

que requieran mover grandes volúmenes de aire aumentando su presión mínimamente. Por otro lado,

una serie de compresores alternativos típicamente llegan a conseguir presiones de salida de 55 a 70

MPa. Un ejemplo de aplicación de compresores centrífugos es la reinyección de gas natural en los

pozos de petróleo para su extracción.

Muchos compresores centrífugos se usan también en pequeñas turbinas de gas como APUs

(generadores auxiliares) y motores turborreactores de pequeñas aeronaves (turboejes de helicópteros y

algunos turbohélices). Una razón significativa de ello es que con la tecnología actual, un compresor

axial que opere con estos volúmenes de aire sería menos eficiente por las pérdidas en las tolerancias

del rotor y el estátor. Hay muy pocos compresores centrífugos de un sólo escalón capaces de entregar

una relación de compresión de 10 a 1, principalmente por las cargas mecánicas que soportan y que

limitan su seguridad, fiabilidad y vida del producto.

En el caso específico de los motores para aeronaves mencionados anteriormente, una gran ventaja es

la simplicidad de los compresores centrífugos y su precio relativamente bajo. Requiere menos escalones

que un compresor axial para conseguir el mismo incremento de presión, ya que el cambio de radio

desde la entrada al rotor al borde de salida es tan acusado que la energía del aire aumenta mucho en

un corto espacio.

Tipos de Aparatos Sometidos a Presión sin Fuego Compresores. Parte 2 - Compresores Centrífugos y Rotativos 

Compresores dinámicos. Centrífugos y axiales

El compresor centrífugo es una máquina en la que el gas es comprimido por la acción dinámica de las paletas giratorias de uno o más rodetes. El rodete logra esta transmisión de energía variando el momento y la presión del gas. El momento (relativo a la energía cinética) se convierte en energía de presión útil al perder velocidad el gas en el difusor del compresor u otro rodete.

Un compresor de este tipo está constituido esencialmente por dos partes:

El rodete, el cual impulsa el gas. La carcasa, que primero conduce el gas hasta el rodete y después lo recibe de él a una

presión mayor.

Según el flujo interno de gas dentro del compresor clasificaremos los compresores en:

Compresores centrífugos. En ellos el flujo de gas es radial y la transferencia de energía se debe predominantemente a un cambio en las fuerzas centrifugas actuantes sobre el gas.

Compresores axiales

En ellos el flujo de gas es paralelo al eje del compresor. En ellos el gas es comprimido en pasos sucesivos. Cada paso está compuesto por una corona móvil solidaria al rotor y otra fija perteneciente a la carcasa. La energía se transfiere al gas en forma de momento cinético por la corona móvil, para pasar a continuación a la fija donde transforma su velocidad en presión.

Debido al hecho de que en la industria los compresores axiales no son de uso extendido, referiremos toda la explicación hacia los compresores centrífugos.

Las características de funcionamiento de un compresor centrifugo pueden expresarse, como en el caso de las bombas centrífugas, mediante curvas características que muestran la variación de la carga desarrollada (y del rendimiento) frente al caudal volumétrico, para cada velocidad de giro, tal y como aparece en la figura.

El único punto de trabajo en el que el compresor puede actuar de forma que suministra la presión necesaria es el punto de intersección con la curva característica del sistema.

En la figura también se indica que existe una capacidad mínima para cada velocidad por debajo de la cual la operación es inestable. Esta inestabilidad viene acompañada por un ruido característico denominado “surge”, por lo que la capacidad mínima se llama “límite de surge”. La inestabilidad se debe a la forma de la curva presión-capacidad, que alcanza un máximo para un valor de la capacidad que corresponde aproximadamente al 50% de la capacidad para el rendimiento máximo y después disminuye rápidamente al tender la capacidad a cero. Si en un momento dado la capacidad disminuye de forma que la presión cae por debajo del máximo, la presión en la tubería de descarga superará la desarrollada por el compresor en ese instante y el flujo se invertirá momentáneamente. Al disminuir aún más la capacidad la presión en la tubería de descarga descenderá y el compresor volverá a descargar, produciéndose así la oscilación característica de la operación por debajo del límite de bombeo.

Características del compresor rotativo

Ventajas del compresor rotativo:

En el rango de 1 a 100 m3/s (según cual sea la razón de compresión) es el más conveniente desde el punto de vista económico, pues basta una sola unidad. Se le pueden conseguir variaciones relativamente grandes de la capacidad sin que varíe mucho la presión de descarga.

Ocupan relativamente poco espacio. Flujo continuo y sin pulsaciones. Se pueden conectar directamente bien a un motor eléctrico o a una turbina movida por vapor. Largos periodos de tiempo entre reparaciones u operaciones de mantenimiento. No hay contaminación del gas por aceite lubricante.

Desventajas:

La presión de descarga depende del peso molecular del gas: un cambio imprevisto de a composición puede modificar grandemente la presión de descarga (demasiado baja o demasiado alta).

Se necesitan velocidades de giro muy altas. Aumentos relativamente pequeños de la pérdida de carga en la tubería de impulsión pueden

provocar grandes reducciones de la capacidad. Se necesita un sistema complicado para evitar las fugas y para la lubricación.

Compresores centrífugos

Un método común de clasificar los compresores centrífugos es por su número de rotores y el diseño de la carcasa.

Carcasa dividida en partes

Carcasa dividida horizontalmente

 

Compresores de tornillo o helicoidales

Este tipo de compresor consiste básicamente en dos rotores helicoidales situados dentro de la carcasa de la bomba. Por su movimiento absorben gas que posteriormente se comprime dentro de la cámara helicoidal formada entre los rotores y la carcasa. Como se ve en la figura, los rotores difieren en su forma de manera que ajusten entre sí formando un cierre hermético por el cual no pueda escapar el gas al ser comprimido.

Características de los compresores de tornillo

La principal característica de este tipo de compresores es que pueden trabajar con corrientes gaseosas que contengan una cierta cantidad de líquido.

Este tipo de bombas requieren el uso de aceite de lubricación, sirviendo adicionalmente como líquido de sello.

Esquema constructivo de un compresor de tornillo

A continuación presentamos la vista exterior, el alzado y la planta de un compresor helicoidal tipo.

Partes de un compresor centrífugoEscrito por Richard Rowe | Traducido por Mike Tazenda

Electric motor image by Victor M. from Fotolia.comLos compresores centrífugos son populares en todas las áreas de la industria porque tienen pocas partes que se desgastan, y son relativamente eficientes con la energía, además de ofrecer un flujo de aire mayor que un compresor centrífugo de un tamaño similar. Aunque su principio de funcionamiento es complejo, son sencillos de operar y la mayoría de las partes de un compresor centrífugo se usan para tratar al salida de aire presurizado o para proveer de fluido refrigerante y aceite al compresor en sí mismo.

CarcazaÉsta es la cubierta en forma de espiral que rodea a las hojas del impulsor del compresor, y constituye la mayor parte de su masa. La carcasa tiene un orificio circular en el frente a través del cual pasa el aire de entrada, una zona interior en la cual el aire es comprimido, y un puerto de salida por el cual escapa el aire presurizado.

ImpulsorÉste compuesto parecido a un ventilador gira en el interior de la carcasa del compresor. Cuando se aplica potencia en su eje, el impulsor rota (en general se lo conecta a un motor en la mayoría de los casos o a la salida de una turbina en el caso de los turbocompresores), sus hojas curvas empujan el aire y lo hacen girar dentro de la carcasa. El impulsor puede estar hecho de hierro, acero, bronce, aluminio o plástico, dependiendo de la aplicación, y la mayoría son cilíndricos. Las aplicaciones de poco volumen usan impulsores tipo plato con una serie de hojas curvas unidas al plato por detrás.

AlimentaciónLos compresores pueden ser alimentados de distintas maneras, pero la mayoría funcionan a través de un motor eléctrico. Algunos son alimentados con un motor de combustión interna, y otros con una correspondiente turbina conectada al impulsor mediante un eje. Las aplicaciones en las que se usa una turbina como fuente de potencia incluyen los turbocompresores, los motores de aeroplanos y las centrales eléctricas de vapor.

Válvulas de derivaciónLa mayoría de los compresores tienen algún tipo de válvula de derivación incorporada. En los compresores alimentados con un motor, estas válvulas ventilan aire para prevenir una sobre presión del sistema. Las válvulas pueden tener actuadores eléctricos, pero la mayoría son controladas mediante la presión de un resorte. Los turbocompresores a menudo tienen una ventilación incorporada que permite la salida de gases para derivar el escape de la turbina, controlando su velocidad y mejorando su salida.

Separador de aguaEstos dispositivos varían en su diseño, pero su propósito principal es quitar la humedad del aire comprimido. El agua tiende a condensar en el sistema como resultado de la compresión, lo cual significa esencialmente que el vapor en aerosol se comprime nuevamente a su estado líquido. El agua líquida debe ser removida de un sistema compresor de aire para prevenir la corrosión, las inconsistencias en la presión y el congelamiento de las herramientas cuando se libera la presión. Los separadores de agua funcionan a la inversa del radiador de un auto, proveyendo de un lugar frío para que las gotas de agua condensen antes de que puedan llegar al flujo de aire. Los separadores también pueden colocarse en línea entre el compresor y el motor de alimentación.

Compresores centrífugos en turbinas de gasTweet

Los compresores centrífugos son turbocompresores que, utilizados en las turbinas de gas, sirven para aumentar la presión del aire que va a ser empleado como comburente en la cámara de combustión.

FuncionamientoLos compresores centrífugos son un tipo de compresor que efectúa la compresión del fluido

por efecto de la fuerza centrífuga. El compresor centrífugo acelera un fluido mediante un rotor

en el que la fuerza centrífuga se obtiene por el aumento de la velocidad periférica del fluido. El

aumento de velocidad del fluido se traduce en un aumento de su energía cinética. La energía

contenida en el fluido se transforma en energía de presión.

El rotor o impulsor

El rotor del compresor centrífugo es una corona de álabes giratoria donde el fluido ingresa en

dirección axial y lo abandona en dirección radial. Como se ha dicho antes el rotor es el

encargado de acelerar el fluido y normalmente, su diseño permite también transformar

alrededor de la mitad de la energía cinética del fluido en energía de presión

El difusorSe encuentra rodeando al rotor, es la parte en la que el fluido cambia de dirección. Para ello

utiliza unos álabes guía, tangentes a los álabes del rotor. En el difusor el fluido acaba de

frenarse aumentando su presión.

El difusor reduce la alta velocidad que tiene el fluido de manera gradual, convirtiendo la

energía cinética del mismo en energía de presión.

El fluido comprimido abandona el difusor en dirección perpendicular al eje de rotación de la

máquina.

ColectorEl colector se encuentra en la salida del difusor. Es la zona del compresor en que el aire que

ha aumentado su presión se envía a otra etapa de compresión o a la cámara de combustión.

Aplicaciones

Los compresores centrífugos se utilizan en pequeñas instalaciones en que se requiere una

relación de compresión alta para bajos caudales de aire de admisión. En caso contrario se

utilizan los  compresores de tipo axial .

Artículo escrito por: Francisco Soler Preciado

 

Bibliografía:

J.M. SALA. LIZARRAGA.N “Cogeneración Aspectos termodinámicos, tecnológicos y

económicos”. 3ed. Bilbao, 1999. ISBN:84-7585-571-7

M .P. BOYCE. “Gas Turbine Engineering Handbook”.3 ed, 2006. ISBN: 13: 978-0-7506-7846-

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