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.
Compresor de pistón

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.

Compresores móviles en obra

Compresor móvil insonorizado de 3,5 m3 a 7,5 bares
Compresor móvil insonorizado de 3,5 m3 a 7,5 bares

La primera decisión que ha de tomarse cuando se planifica una instalación de aire comprimido es saber si se establece 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 la utilización de pequeños compresores móviles.

El motor y el compresor forman una sola unidad que cuenta con un panel de mando que controla la presión y temperatura del aire, la presión del aceite, el arranque y la parada, etc. Suelen componerse de 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 de pistones se efectúa por aire y en los de tornillo por medio de aceite. Cada toma de aire cuenta con su llave y acoplamiento normalizado a 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 moto-compresor alimenta varias máquinas, la presión de trabajo deberá ser la del que requiera mayor presión. El resto de equipos debe protegerse con un mano-reductor. La instalación debe estar sobredimensionada, de forma que la presión de trabajo esté un mínimo de 1.5 a 2 bares por debajo de la presión máxima. Si el caudal de aire es escaso, tanto la presión como el rendimiento disminuyen, de forma que un 20% de merma en el caudal significa una pérdida de rendimiento en los equipos del 35%. Ello implica que el caudal de aire deba ser superior al consumo de todas las herramientas más una reserva de aproximadamente un 20%. Tampoco es aconsejable dimensionarlo en exceso, pues la presión no utilizada equivale a desaprovechar la energía.

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.