compresores – El blog de Víctor Yepes

Nomograma para la ley de los gases ideales

https://retoexperimenta.es/2022/que-es-la-ley-de-los-gases-ideales/

Un gas ideal es una representación teórica de un conjunto de partículas que se mueven de forma puntual y aleatoria, sin interactuar entre sí. Este concepto resulta fundamental porque los gases ideales siguen la ley de los gases ideales, una ecuación de estado simplificada que se analiza a través de la mecánica estadística.

En condiciones normales, como las que corresponden a la presión y temperatura habituales, la mayoría de los gases reales exhiben un comportamiento cualitativamente similar al de un gas ideal. Por lo general, la desviación del comportamiento ideal es más evidente a temperaturas más bajas o a presiones más elevadas, donde las fuerzas intermoleculares adquieren mayor relevancia. Esto se debe a que, en tales condiciones, el trabajo ejercido por estas fuerzas es más significativo en comparación con la energía cinética de las partículas, y el tamaño de las moléculas resulta más crítico en relación con el espacio vacío entre ellas.

Sin embargo, el modelo del gas ideal tiende a no ser preciso a temperaturas muy bajas o a presiones elevadas, donde las fuerzas intermoleculares y el tamaño de las moléculas desempeñan un papel crucial. Además, por lo general, no es adecuado para gases más densos, como el vapor de agua o muchos fluidos refrigerantes. En condiciones de temperaturas bajas y presiones elevadas, los gases reales pueden experimentar una transición de fase hacia un estado líquido o sólido, un fenómeno que el modelo del gas ideal no puede describir ni permitir. En estos casos, se requieren ecuaciones de estado más complejas para modelar estos comportamientos.

La ecuación que vincula las variables P, V y T para una cantidad específica de gas se conoce como la ecuación de estado. Para ilustrar, si tenemos información sobre la presión y el volumen, podemos determinar la temperatura mediante la ecuación de estado. En el caso de un gas ideal, la ecuación de estado específica es P·V=n·R·T. El concepto de gas ideal representa una extrapolación del comportamiento de los gases reales en condiciones de baja densidad y presión hacia un comportamiento ideal. No obstante, para densidades y presiones más elevadas, es necesario aplicar ciertas correcciones a esta ecuación para que sea aplicable a gases reales.

A continuación os dejo un nomograma elaborado en colaboración con el profesor Pedro Martínez Pagán, de la Universidad Politécnica de Cartagena, donde se puede calcular gráficamente la ecuación de estado para un gas ideal. En este caso, se ha calculado el volumen de un mol de un gas ideal a 1 atmósfera y 0 °C, que es de 22,4 litros. Espero que os sea de interés.

Aquí tienes un par de vídeos explicativos que, espero, sea de tu interés.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

YEPES, V. (2023). Maquinaria y procedimientos de construcción. Problemas resueltos. Colección Académica. Editorial Universitat Politècnica de València, 562 pp. Ref. 376. ISBN 978-84-1396-174-3

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Compresores de lóbulos o tipo Roots

Figura 1. Compresor Root de dos lóbulos. http://dopedia.blogspot.com/2014/09/compresor-de-lobulos-roots-neumatica.html

Formados por dos rotores iguales que habitualmente tienen forma de ocho, aunque existen rotores de tres lóbulos. En la Figura 1 se representa un compresor Root de dos lóbulos, de gran aplicación como sobre alimentador de los motores diésel o de los sopladores de gases a presión moderada. Como el volumen de las cámaras de trabajo no disminuye durante el giro de los rotores, no existe compresión interna, por lo que sólo se utilizan para relaciones de compresión menores de 2.

Su rendimiento no es muy alto, contando además con la desventaja de que el aire se calienta mucho y su caudal no el muy elevado. En cambio presentan la ventaja de prescindir del movimiento alternativo. Se fabrica normalmente para presiones inferiores a 2 bares, por lo que su utilidad en los equipos principales de aire comprimido es muy limitada. Se consideran, por tanto, más soplantes que compresores.

La holgura presente entre los dos rotores y la que queda entre estos y el estator, hacen innecesaria la lubricación. Se emplean usualmente para la impulsión neumática de materiales a granel, en “camiones-silo” o en fábricas de cemento u otras instalaciones industriales.

Os dejo algún vídeo de su funcionamiento.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

Compresor de pistón

Un compresor de pistón, compresor volumétrico alternativo o compresor de émbolo es un compresor de gases que funciona por el desplazamiento de un émbolo dentro de un cilindro (puede tener varios) movido por un cigüeñal para obtener gases a alta presión. El gas a comprimir entra, a presión ambiental, por la válvula de admisión en el cilindro, donde se comprime con el pistón, que tiene un movimiento alternativo mediante un cigüeñal y un biela, y se descarga, comprimido, por la válvula de descarga.

Es uno de los compresores más antiguos y conocidos, aunque hoy se emplean especialmente los compresores rotativos. El principio de funcionamiento del compresor alternativo, basado en el desalojamiento del aire por el émbolo, permite fabricar máquinas con pequeño diámetro y un recorrido insignificante del pistón, que desarrollan alta presión con un caudal relativamente pequeño.

Los compresores de pistones pueden clasificarse atendiendo a distintas características:

Por el número de cilindros:

Monocilíndricos.
Bicilíndricos.
Policilíndricos

Por la forma de trabajar el émbolo:

De simple efecto: la compresión se efectúa por una cara del pistón.
De doble efecto: la compresión se realiza por las dos caras del pistón

Por el número de etapas empleadas en la compresión:

Monoetápico.
Bietápicos.
Polietápicos.

Por la disposición de los pistones:

Horizontales.
Verticales.
En V.
A escuadra.

Los compresores monoetápicos son de poca potencia. La presión final alcanzada es de 4 a 5 bares, con una temperatura de salida entorno a los 180ºC (±20ºC). La refrigeración es por aire. Los compresores bietápicos son los más utilizados. Primero se llega de 2 a 3 bares para luego alcanzar unos 8 bares, con una temperatura de salida de 150ºC (±15ºC). La refrigeración puede ser por aire con un ventilador o por una corriente de agua.

Algunos de los compresores más habituales en el mercado presentan las siguientes características:

De simple efecto, monoetápicos y refrigeración por aire: capacidad hasta 1 m³/min, relación potencia (CV)/capacidad (m³/min) inferior a 10.
De simple efecto, bietápicos y refrigeración por aire: capacidad de 2 a 10 m³/min, relación potencia (CV)/capacidad (m³/min) de 7,5 a 8,5.
De doble efecto, bietápicos y refrigeración por agua: capacidad de 10 a 100 m³/min, relación potencia (CV)/capacidad (m³/min) de 6,5 a 7,5.

En la Figura siguiente se representan las cuatro fases del ciclo termodinámico que se desarrollan en el caso más simple de un compresor monoetápico de un cilindro de simple efecto.

Fase 1, admisión (4-1): Con la válvula de aspiración abierta, el pistón situado en el punto 4 inicia su avance hasta el 1 en el que se cierra la válvula. Entra aire a una presión P₁.
Fase 2, compresión (1-2): Al cerrarse la válvula de admisión, el pistón retrocede hasta 2 y el aire se comprime hasta la presión P₂.
Fase 3, expulsión (2-3): En 2 se abre la válvula de expulsión y el pistón al seguir retrocediendo hasta 3 va expulsando el aire y dejando el volumen V₃ correspondiente al espacio muerto del cilindro.
Fase 4, expansión (3-4): En 3 se cierra la válvula de expulsión y el aire encerrado en el cilindro se expansiona haciendo avanzar el pistón hasta 4. En ese instante se abre la válvula de admisión, reiniciándose de nuevo el ciclo.

Ciclo termodinamico piston — Ciclo termodinámico de un compresor alternativo de un cilindro

Os dejo a continuación una animación sobre un compresor de pistón de doble efecto:

También os dejo una presentación del profesor Pedro Loja sobre el compresor de pistón:

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

Compresores helicoidales o de tornillo

El compresor helicoidal de dos rotores, es un aparato rotativo de desplazamiento positivo, en la que la compresión del aire se efectúa mediante dos rotores (husillos roscados). Está constituido por dos o tres tornillos helicoidales engranados entre sí. La longitud de los tornillos debe ser superior, al menos de 1,5 a 2 veces su paso, para asegurar la estanqueidad de las cámaras formadas entre las hélices. Funcionan a velocidades elevadas, debido a la ausencia de válvulas y fuerzas mecánicas desequilibrantes, por lo que sus dimensiones son muy pequeñas en relación con su capacidad.

El perfil del tornillo conductor es convexo, mientras que el del conducido es cóncavo; el rotor conductor, conectado al eje motor, gira más rápido que el conducido. El aire que penetra por la cavidad de aspiración, situada en uno de los extremos del compresor, llena por completo cada una de las cámaras de trabajo helicoidales del rotor conducido. Durante el giro de los rotores, las cámaras de trabajo limitadas entre los filetes de los rotores y las superficies internas del estator, dejan de estar en comunicación directa con la cavidad de aspiración y se desplazan junto con el aire a lo largo de los ejes de rotación.

Estos compresores son los más utilizados en obras públicas y en refrigeración industrial. Son una solución idónea para producciones que superen los 10 m³/min, con rendimientos por encima del 85%. Se pueden alcanzar presiones de hasta 50 bares.

Podemos distinguir dos tipos:

Con engranajes exteriores para transmitir el movimiento en entre ambos rotores. Presentan cierto juego entre sí, lo que evita el desgaste y hace innecesaria la lubricación.
Con flujo de aceite a través de la máquina para lubricar y sellar, así como para refrigerar el gas comprimido. En este caso, los engranajes pueden suprimirse, transmitiéndose el movimiento directamente por el contacto entre ambos rotores.

Se apuntan como ventajas la ausencia de oscilaciones y ruidos, la gran fiabilidad por la ausencia de rozamientos, el menor mantenimiento y el poco espacio que usan. Además, el compresor de tornillo tiene un rendimiento energético superior al alternativo cuando la instalación se encuentra a plena producción. Como inconveniente podría citarse el precio elevado de sus piezas, por la gran precisión requerida para el ajuste en el montaje y una mano de obra especializada para su mantenimiento.

Os dejo algunos vídeos explicativos que espero os gusten.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.

Compresores móviles en obra

https://www.mundocompresor.com/compresores-vacio-gases-aire-comprimido-industria/nuevas-opciones-compresor-para-obras-m-27-kaeser

Los grupos moto-compresores se componen de dos elementos esenciales: el compresor, que tiene como objetivo obtener un flujo de aire a una presión determinada, y el motor, que, con su potencia a un régimen determinado, transmite el movimiento al compresor. Aunque el compresor es solo uno de los componentes del grupo moto-compresor, se utiliza el término «compresor» de manera general para referirse al conjunto completo, que incluye tanto al compresor como al motor.

Para determinar los compresores más adecuados para la obra, se deben considerar factores como la presión máxima de trabajo y el caudal máximo de aire requerido. La presión de trabajo se expresa en atmósferas y representa la fuerza por unidad de superficie (kg/cm²) que necesitan las herramientas para funcionar correctamente. Por otro lado, el caudal de aire es la cantidad de aire necesaria para alimentar una herramienta a una determinada presión y se mide en m³/min.

Para poder comparar diferentes compresores de distintas marcas que trabajan a presiones diferentes, se utiliza el concepto de «caudal de aire libre». Este caudal se mide a la presión atmosférica y no a la presión de trabajo del compresor, ya que esta última no es la misma en todos los compresores. La presión de trabajo del compresor la fija el equipo, la máquina o la herramienta que está conectada a él.

La primera decisión que ha de tomarse al planificar una instalación de aire comprimido es determinar si se instala un compresor único centralizado o una serie de unidades situadas cerca de los puntos de consumo. Si bien las centralizadas tienen las ventajas de requerir menor potencia, menores costes de mantenimiento y mayores rendimientos, en obras lineales o con conducciones muy largas se recomienda el uso de pequeños compresores móviles.

El motor y el compresor forman una sola unidad. Cuentan con un panel de control que regula la presión y temperatura del aire, la presión del aceite, el arranque y la parada, etc. Por lo general, están compuestos por compresores alternativos (de dos etapas, con uno o más pistones) o rotativos (más frecuentes de tornillo), y un motor de accionamiento. La refrigeración en los compresores de pistones se efectúa por aire y en los compresores de tornillo, por medio de aceite. Cada toma de aire cuenta con su llave y acoplamiento normalizado de ¾”, mientras que las mangueras comunes en obras públicas tienen un diámetro inferior a los 19 mm.

Se pueden clasificar atendiendo a la potencia del motor:

Ligeros: con una potencia inferior a los 25 CV, aptos para una sola herramienta de tipo medio, o dos ligeras de forma intermitente.
Medios: con potencia de 25-50 CV.
Pesados: Potencias mayores de 50 CV, con capacidad para atender varias herramientas con 6 u 8 puntos de toma.

Cuando el grupo moto-compresor suministra aire a varias máquinas o equipos que operan a diferentes presiones, el compresor debe tener la presión de trabajo del equipo que requiere la mayor presión. Sin embargo, en estos casos, la presión puede ser excesiva para algunos equipos o herramientas, por lo que es necesario protegerlos con un regulador de presión (manorreductor).

Para calcular el caudal de aire libre necesario en una obra o zona específica, se debe sumar el consumo de aire de cada uno de los equipos o herramientas en litros por minuto y aplicar un factor de simultaneidad. Es fundamental sobredimensionar la instalación para que la presión de trabajo esté al menos 1,5 a 2 bares por debajo de la presión máxima. Si el caudal de aire es insuficiente, tanto la presión como el rendimiento disminuyen. Por ejemplo, una reducción del 20 % en el caudal puede causar una disminución del 35 % en el rendimiento de los equipos. Es necesario que el caudal de aire libre del moto-compresor sea superior al consumo de todas las herramientas, incluyendo una reserva de alrededor del 20 %. Además, es relevante que el rendimiento en caudal de aire libre del compresor sea mayor que el consumo de todas las herramientas conectadas, incluyendo una reserva, para evitar que la presión disminuya y afecte al rendimiento de los equipos. No es recomendable dimensionar en exceso el compresor, ya que la presión no utilizada equivale a desaprovechar energía. Si el caudal de aire libre del compresor es insuficiente, el rendimiento de las herramientas disminuirá significativamente.

Al situar un moto-compresor en obra, es importante seguir estas recomendaciones:

Ubicarlo cerca del punto de trabajo de las herramientas o equipos a los que va a suministrar aire comprimido.
Colocarlo en un terreno nivelado, para poder comprobar adecuadamente los niveles de combustible, aceite y agua.
Asegurarse de que quede bien ventilado y, si es posible, protegido del polvo.

A continuación os dejo un vídeo de un compresor móvil M250 885 CFM. Espero que os guste.

Referencias:

YEPES, V.; MARTÍ, J.V. (2017). Máquinas, cables y grúas empleados en la construcción. Editorial de la Universitat Politècnica de València. Ref. 814. Valencia, 210 pp.

Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.;