3.2.2.

Compresores,
Sistemas de aire comprimido

En esta sección se discutirán de manera general la teoría asociada al

comportamiento de compresores y en cuanto a aplicación, se enfocará en el uso
extensivo del aire en sistemas de aire comprimido (SAC), presentes en las
industrias de fabricación de bienes de todo tipo, desde alimentos, farmacéutica,
biotecnología, etc.

Se comentarán otras aplicaciones importantes de los compresores: refrigeración,

aire acondicionado, procesos, ciclos de potencia y propulsión.
 Consumo de energía en procesos y servicios

Equipos consumidores de energía

mecánica/eléctrica

•Bombas
•Ventiladores Se encuentran en
•Sopladores
•Compresores
Sistemas auxiliares y de servicio

•Bombeo (transporte, distribución, agua helada, …)

•Movimiento de aire (enfriamiento, suministro, …)
•Movimiento de aire y gases (procesos, aire acondicionado, …)
•Compresión de aire y gases (aire comprimido, refrigeración, …)
14
 Teoría de Compresión

Tipos de compresión, se pueden identificar los siguientes tipos de

compresión:

• - Compresión isotérmica o compresión a temperatura constante.

• - Compresión politrópica o compresión con enfriamiento.

• - Compresión adiabática reversible o compresión isentrópica.

• - Compresión adiabática irreversibe, también conocida como

compresión politrópica sobre todo asociada a turbo comp.

__________________
 Procesos de Compresión , pvn = constante

sí n=1 se tiene un proceso de compresión isotérmico,

1<n<k se tiene un proceso de compresión politrópico, p.e.
compresión con enfriamiento durante la compresión,
n=k el proceso es adiabático reversible o isentrópico.
Aplica a todo compresor de desplazamiento positivo,
en TC la admisión, compresión y descarga
ocurren de manera continua
 Parámetros de un Compresor

Características del Gas

* Temperaturas [T], a la entrada, a la salida, antes y después de

interenfriadores, antes y después de posenfriador, y otros puntos del
compresor.

· * Presiones [p], a la entrada, a la salida, antes y después de

interenfriadores, antes y después de posenfriador, y otros puntos del
compresor.

* Densidad [], en diversos puntos del compresor.

* Factor de compresibilidad [Z], en diversos puntos del compresor.

· * Velocidad [v], en diversos puntos del compresor.

Parámetros de un Compresor

Propiedades del Gas

* Calor específico a presión constante [cp]

* Calor específico a volumen constante [cv]

* Relación de calores específicos [k]

* Peso molecular [M]

* Constante [R]

* Velocidad del sonido [a]

* Viscosidad dinámica []

 Parámetros de un Compresor

Variables de Proceso

* Gasto volumétrico (capacidad) [V´], manejado por el

compresor

* Flujo másico [m], manejado por el compresor

* Presión de descarga del compresor

* Humedad [] @ presión de descarga del compresor

* Especificaciones de limpieza del gas (aire libre de aceite en

sistemas de aire comprimido)
 Parámetros de un Compresor

Condiciones del medio ambiente

* Presión atmosférica local

* Temperatura ambiental (sistemas de aire comprimido)

* Humedad [] ambiental (sistemas de aire comprimido)

 Parámetros de un Compresor

Características físicas del compresor

* Volumen desplazado [VD]

* Dimensiones internas del compresor:

diámetros de pistón y carreras en compresores reciprocantes,

diámetro de rotores de compresores centrífugos,
espacios muertos en compresores de desplazamiento positivo,
forma de los álabes en compresores centrífugos,
espesor de paletas en compresores de paletas deslizantes, etc.

* Capacidad de refrigerante (aceite)

* Dimensiones externas
 Parámetros de un Compresor

Variables de control y de operación del compresor

* Capacidad (gasto volumétrico) [V´], manejada por el compresor

* Flujo másico [m], manejado por el compresor

* Presión de admisión del compresor

* Relación de presiones del compresor [rp], donde rp = pdescarga/padmisión

* Índice politrópico del compresor [n o m]

* Régimen de giro [N]

* Potencia consumida por el compresor [bhp]

* Voltajes [V], corrientes [A], factor de potencia [fp], etc. del motor
de accionamiento
·
 Parámetros de un Compresor

Variables de control y de operación del compresor

* Flujos de agua de enfriamiento

* Flujos de aire de enfriamiento

* Límite de operación (“surge”) de compresores centrífugos

* Velocidades críticas de giro de compresores centrífugos

* Tiempos característicos del compresor (de apagado, descarga, etc.)

* Eficiencia volumétrica del compresor

* Eficiencia mecánica del compresor

* Eficiencia de compresión, politrópica, global del compresor

Parámetros de un Compresor

Parámetros adimensionales

* Coeficiente de carga [cH]

* Coeficiente de masa [cM]

* Coeficiente de potencia [cP]

* Número de Mach [Ma]

* Número de Reynolds[Re]

* Ángulo de álabes guía []

 Análisis de Compresores

Q = E + W = H + K + Z + W
Donde

Q es la energía en forma de calor transferida desde el sistema (compresor),

W es la energía en forma de trabajo transferida al sistema (compresor),

E es el cambio que sufre la energía total al pasar a través del sistema (compresor),

H es el cambio que sufre la entalpía al pasar a través del sistema (compresor),

K es el cambio que sufre la energía cinética al pasar a través del sistema (compresor),

Z es el cambio que sufre la energía al potencial al pasar a través del sistema

(compresor),

En todos los casos Z0

y K sólo es importante en compresores centrífugos

 Análisis de Compresores


p2
· Compresión isotérmica: W = − m RT1 ln
p1


· Compresión politrópica W= n
n −1 m RT1 rp  n−1
n
−1 


· Compresión adiabática reversible (isentrópica) W= k

k −1 m RT1 rp − 1  k −1
k



· Compresión adiabática irreversible (politrópica) W= m 1

m −1  p m RT1 rp  m−1
m
−1 
Eficiencia volumétrica

gasto real V
v = =
gasto teo Vteo

V
v = = 1 + c − c  rp n
1

Vteo

V
v = = 1 + c − c  rp n − L
1

Vteo
Ejemplo
 Compresión multietapas

n−1
Td = Ta  rp n

Ahorro de potencia por enfriamiento entre etapas

 Compresión multietapas
Las condiciones para obtener potencia mínima en un compresor multietapas son
las siguientes:

rp1 = rp2 = rp3 =……….= rpb

La relación de presiones de una etapa rpi, se relaciona con la relación de presiones

total rpt (succión a descarga del compresor multietapas) mediante la ecuación:

1
rpi = rpt b

y la potencia total

W= n
n−1
.
b m RT1 rpi  n −1
n

−1
 Eficiencias

Eficiencia de compresión, c Wteo

c =
Wi

Wi
Eficiencia mecánica, m m =
Wb

W teo
Eficiencia global o eficiencia del compresor, g g =
Wb

g = c m g = c m
 Eficiencias

WT
Eficiencia isotérmica, T T =
Wi

Eficiencia adiabática, a Ws
a = g = a m
Wi

k −1
Eficiencia politrópica, p p = k
m −1
m
 Eficiencias

Relación de Eficiencia energética de un compresor, REE

capacidad CFM
REE = =
potencia HP

El FIDE define como compresores con una buena eficiencia energética aquellos que tienen un
valor igual o superior a 4.5 CFM/HP.

La relación inversa se maneja como potencia específica

BHP
Eficiencia del motor eléctrico de accionamiento, e. e =
HP
 Un parámetro interesante es

% de BHP a plena carga

IRCP = * % de capacidad

* IRCP: Indicador de Rendimiento a

Carga Parcial

A medida que IRCP se aproxime a uno el compresor

es más eficiente
 Balance de energía del compresor

Q=W+H,

como Td = Ta , entonces H=0 y Q=W

La transferencia de calor total Q es

Q=Qcompresión + Qinterenfriadores + Qpostenfriador

La transferencia de calor durante cada etapa de compresión puede evaluarse de

varias maneras, cuando el cambio de energía cinética es despreciable

Qcompresión = m cn T = m h + Wetapa
donde
m es la masa de gas manejada por el compresor
T es el incremento de temperatura durante el proceso de compresión en la etapa,
h es el cambio de entalpía ocurrido durante el proceso de compresión, y
Wetapa es la potencia absorbida por el compresor
 Balance de energía del compresor
cn se denomina calor específico politrópico y está dado por

cv (k − n)
cn =
(1 − n)

La transferencia de calor en los interenfriadores está dada por

Qinterenfriador = m cp T = m h

con
T es el cambio de temperatura logrado en el interenfriador, o
h es el cambio de entalpía logrado en el interenfriador

Finalmente, la transferencia de calor en el postenfriador está dada por

Qpostenfriador = m cp T = m h
con
T es el cambio de temperatura logrado en el postenfriador, o
h es el cambio de entalpía logrado en el postenfriador
 Balance de energía del compresor
La figura muestra el diagrama de Sankey de un balance de energía típico de un
compresor de dos etapas
Sistemas de aire comprimido (SAC)

__________________
 Sistemas de aire comprimido (SAC): El compresor
e.g. Compresor de tornillo de una etapa inundado en aceite.
Sistemas de aire comprimido (SAC): La unidad de compresión.
 Sistemas de aire comprimido (SAC): El sistema de distribución.

Lazo abierto

Lazo cerrado
 Sistemas de aire comprimido (SAC): Los usuarios

Unidad de mantenimiento
 Control de capacidad

Comportamiento típico de compresores con control de capacidad en 2 pasos

a) en porcentaje, b) en las unidades especificadas

Comportamiento típico de compresores con control multipasos: 2valv adm abiertas: 3 puntos de
operación (0,50 y 100%); 4 bolsas de claro: 5 puntos de operación (0.25.50,75,100%). a) en porcentaje, b) en las
unidades especificadas.
 Comportamiento típico de compresores con control continuo por estrangulamiento en la admisión y control
continuo parcial + con carga/descarga. a) en porcentaje, b) en las unidades especificadas

Comportamiento típico de compresores con control de carga/descarga en condición totalmente descargado y cuando esto no ocurre .
Control secuencial de 4 compresores.
 Diseño básico de un compresor.

En primer lugar, identificar y evaluar las necesidades presentes y futuras a corto plazo de las
necesidades de la planta en cuanto a las características del aire comprimido.

el dimensionamiento básico del compresor requiere en primer término de los

parámetros siguientes:

Capacidad, V’ (m3/s o CFM). 𝑉′ሶ = σ 𝑉′ሶ 𝑖

Esta puede manejarse en cualquiera de los siguientes conceptos:

Aire libre (FAD): CFM (FAD)
Aire estándar o normal: (SCFM o NCFM)
Aire a las condiciones de operación u otras (ACFM)

𝑝𝑉′ሶ 𝑝𝐹𝐴𝐷 𝑉′ሶ 𝐹𝐴𝐷 𝑝𝑠𝑡𝑑 𝑉′ሶ 𝑠𝑡𝑑 𝑝𝐴 𝑉′ሶ 𝐴

𝑚ሶ = = = =
𝑅𝑇 𝑅𝑇𝐹𝐴𝐷 𝑅𝑇𝑠𝑡𝑑 𝑅𝑇𝐴

ሶ ሶ 𝑝𝑠𝑡𝑑 𝑇𝐹𝐴𝐷 ሶ 𝑝𝐴 𝑇𝐹𝐴𝐷

𝑉′𝐹𝐴𝐷 = 𝑉′𝑠𝑡𝑑 = 𝑉′𝐴
𝑃𝐹𝐴𝐷 𝑇𝑠𝑡𝑑 𝑃𝐹𝐴𝐷 𝑇𝐴
 Ejemplo

m c/d vsd
cfm bhp bhp bhp
500 120 115 125
bhp/cfm 24 23 25
Ejemplo
Ejemplo
Ejemplo
Ejemplo: Resumen
Algunas preguntas sobre el comportamiento de compresores:

1. Proporción de costos

Fijos 30% 45% 15%

Operación Fijos 25% 15%
15% 20%
Energía 45%
Operación 40%
20% 65%
Energía 65%

¡La energía es el costo más relevante!

2. Proporción en costo de fabricación

Aire comp+herram. 5% 35% 20%

Costo total 95% 65% 80%
Aire comp+herram. 5%
Costo total 95%

Mucho más significativo

tener deficiencia
que exceso de aire
 3. ¿Presión de diseño óptima de la
mayoría de elementos neumáticos?
Presión (man) psi

75
Presión (man) psi 90
90 100

La mayoría de sistemas neumáticos

se diseñan para 90 lb/pul2
 4. ¿Si la presión cae en 20%, ¿cuánto se
perderá en productividad?
16%
24%
>30%

Se pierde > 30%

La caída de presión del sistema produce una

gran pérdida en la productividad
5. ¿Cantidad de agua que ingresa por día
como vapor por cada 100 cfm
@100psig suponiendo una temp de
75°F (23.8°C)
Ingresan y una hum
18 gal/100 cfmrel de 75%?
90 (340.65 l)/500cfm
7 gal (26.5 l)
18 gal (63.1 l)
Los post31enfriadores
gal (117.3 l) son
indispensables
pero se requiere de
secado adicional
en muchas aplicaciones
 6. ¿Cuál sería la implicación económica
de un paro total de un sistema de aire
comprimido durante 8 horas?

• ninguno ya que se tendrían opciones

$$$$$$
para resolver este problema
• $$$$$$ por sus implicaciones en la
productividad
• no se puede decir ya que nunca se ha
considerado esa opción
¡habrá que determinar si no se
sabe, pueden ser demasiados!