Curso de tuberías para plantas de proceso - 0201 Turbinas & Compresores

8/18/2019 Curso de tuberías para plantas de proceso - 0201 Turbinas & Compresores

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Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.Pº del Prado, nº 24, 5ºA; 28014 Madrid; 913-697-294.

Fax 914-203-074; E-mail [email protected]

CURSO AVANZADO PARA EL

DISEÑO DE TUBERÍAS

EN PLANTAS QUÍMICAS, PETROQUÍMICAS,

FARMACEUTICAS, NUCLEARES,

ALIMENTARIAS, ETC.

0201

LAS TURBINAS Y LOS COMPRESORES.


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CURSO AVANZADO PARA EL DISEÑO DE TUBERÍAS EN PLANTAS DE PROCESO PETROQUÍMICO, NUCLEAR, ETC.


Patrocinado por; COMFIA & FUNDACIÓN MADRID FORMACIÓN Y EMPLEO.Pº del Prado, nº 24, 5ºA; 28014 Madrid; 913-697-294, fax 914-203-074; E-mail [email protected].

Dirigido por Jesús Escobar García 639-155-420; [email protected]

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Índice de la unidad:

01 GENERALIDADES SOBRE LAS TURBINAS.

02 LAS TURBINAS DE CONDENSACIÓN.

03 LAS TURBINAS DE CONTRAPRESIÓN.

04 LAS TURBINAS MIXTAS (derivación y condensación).

05 GENERALIDADES SOBRE LOS COMPRESORES.

06 GENERALIDADES SOBRE LOS GASES.

07 USOS DE LOS COMPRESORES.

08 CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPRESORES.

09 TIPOS DE COMPRESORES.

10 LOS COMPRESORES ALTERNATIVOS.

11 LOS COMPRESORES ROTATIVOS.

11.1 Los compresores de paletas.

11.2 Los compresores de lóbulos.

11.3 Los compresores de tornillo.

12 LOS COMPRESORES DE FLUJO CONTINUO.

12.1 Los compresores centrífugos.

12.2 Los compresores axiales.

13 LOS EYECTORES.


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01 GENERALIDADES SOBRE LAS TURBINAS.

Son maquinas que transforman en energía mecánica, la energía contenida en el vapor; sus

características quedan definidas por el sistema de descarga de vapor y pueden clasificarse como:? Turbinas de acción; la caída de presión se efectúa de una sola vez, en las toberas o álabes

directores antes de entrar en la corona de álabes. Toda la energía potencial disponible se

transforma en energía cinética, antes de entrar en el rodete.

? Turbinas de reacción; solo parte de la expansión se efectúa en las toberas antes de entrar

en el rodete. El resto de la expansión se efectúa mientras atraviesa la corona de álabes.

Figura 01; Esquema de las posiciones del funcionamiento de las turbinas.

Los valores que determinan las características de una turbina son:

? Consumo o caudal de vapor.

? Presión de admisión en la turbina (normal y máxima).

? Presión de condensación o de descarga.

? Potencia suministrada por la maquina.

? Velocidad de rotación.


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La clasificación de las turbinas, también se puede realizar en función de las condiciones del

escape; según esto, se diferencian en:

â Turbinas de condensación.

â Turbinas de contrapresión.

â Turbinas mixtas (derivación y condensación).

Todos estos equipos disponen de un regulador de velocidad, cuyas características dependen del

tamaño de la turbina, esta regulación puede llevarse a cabo por:

Æ Parcialización; cerrando válvulas de paso de vapor a un cierto nº de toberas o escalones.

Æ Estrangulación; cerrando más o menos la válvula de admisión de vapor.

La variación del caudal de vapor en la admisión de una turbina origina una variación del par, es

decir, de la velocidad de giro y consecuentemente de la potencia.

Para evitar una pérdida de carga por laminado, las toberas de la primera etapa de las turbinas

multietapas, se distribuyen en varios grupos, cada uno servido por una válvula, que asegura una

regulación simplificada. Estas válvulas se abren según la carga sobre el eje. La regulación

automática se realiza según uno de los principios siguientes:

´ Regulación centrífuga; según la velocidad del eje principal o de otro anexo, los contrapesos

se alejan o se acercan del eje y, mediante un movimiento articulado, hacen deslizar las bielas

que actúan sobre la válvula de admisión de vapor. Este dispositivo se utiliza principalmente

en las turbinas pequeñas.

´ Regulación hidráulica; una bomba de aceite accionada por la turbina transforma las

variaciones de velocidad en variaciones de presión, que se utilizan para actuar sobre las

válvulas de admisión.´ Regulación indirecta; en las Instalaciones industriales, donde la turbina mueve una bomba o

compresor, es más interesante comprobar la presión de impulsión de estos aparatos, que la

velocidad del eje de la turbina. Se utiliza directamente el control de presión en la válvula de

admisión de vapor.

Además del regulador ya citado, todas las turbinas disponen de un regulador de velocidad, que

detiene la turbina, en el caso de que su velocidad supere el 15 o 20% de su valor nominal.


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Con el fin de aumentar su campo de potencia, ciertas turbinas pueden ser equipadas con toberas

manuales de sobrecarga, que se mantienen cerradas en servicio normal.

Figura 02; Aspecto externo de una turbina de una etapa (sin equipo accionado).

Las turbinas de una sola etapa, llamadas turbinas «process», se utilizan para accionar bombas

de emergencia. Su potencia puede alcanzar los 1 520 CV, con velocidades de 600 a 7 000

r.p.m. Estas turbinas no son de condensación y utilizan vapor de alta presión.

Las turbinas de varias etapas se reservan para cargas importantes; mueven los generadores y los

grandes compresores centrífugos. Generalmente son de condensación. Se necesitan juntas de

estanqueidad entre las diferentes etapas.

En algunos casos se dispone un recalentador para incrementar la energía del vapor entre dos

etapas, con el fin de aumentar la energía potencial del conjunto y mejorar el rendimiento de la

turbina.


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Figura 03; Aspecto externo

de una turbina

multi-etapa

(parcialmente

desmontada).

El empleo de uno u otro

tipo de turbina, será deter-

minado por el balance del

excedente de vapor de alta

o baja presión de la planta.

Figura 04; Sección descriptiva de una turbina multi-etapa.


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02 LAS TURBINAS DE CONDENSACIÓN.

Estas turbinas utilizan vapor a muy alta presión (normalmente de 60 a 140 kgs/cm2) y lo

devuelven a un vacío muy elevado (20 mm de Hg abs.). Se utilizan para accionar grandescompresores, bombas y alternadores; son siempre multi-etapa.

Es decir, aprovechan completamente el salto de presión llegando hasta la condensación del vapor

a través de un condensador de aire o de agua; recuperándose el condensado para ser llevado a un

generador de vapor.

Figura 05; Esquema descriptivo de las purgas de una turbina multi-etapa.

13.2 LAS TURBINAS DE CONTRAPRESIÓN.

Estas maquinas aprovecha la expansión del vapor desde una presión más alta a una presión

inferior, sin llegar a la condensación. Estas turbinas funcionan con vapor de 20 a 40 kg/cm2 y

escapan, sin condensación, con una presión relativa de 9 a 4 kg/cm2. Se utilizan muy a

menudo en las refinerías para accionar bombas, recuperándose el vapor de escape para

calentamiento de productos pesados.

Dentro de esta clase de turbinas, debemos considerar dos tipos:

j Las de expansión simple

k Las de expansión múltiple.


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j Las turbinas de expansión simple, se construyen en capacidades de hasta 1.500 CV, y para

velocidades desde 600 hasta 7 000 rpm.

Son diseñadas invariablemente para operar sin unidades de condensación y son muy

utilizadas en las plantas de proceso. Una de las ventajas de estas turbinas, es que produce

vapor limpio de baja presión, que puede ser empleado como vapor de proceso

(calentamiento, etc.).

Por lo tanto, en una planta bien diseñada puede emplearse un cierto número de turbinas de

expansión simple para propulsar a bombas, y al mismo tiempo proporcionar las cantidades

necesarias de vapor de baja presión para ser usadas en toda la planta; salvo que el coste de

tratamiento del agua de suministro lo haga inviable.

k Las turbinas de expansión múltiple; son más caras y generalmente se las utiliza para

cargas grandes, en cuyo caso la economía de vapor es un factor muy importante.

Con frecuencia estas turbinas están equipadas con unidades de condensación y se utilizan

para accionar generadores o compresores centrífugos grandes. En las plantas de suministro

de energía se han ideado sistemas muy ingeniosos a fin de obtener la máxima economía del

vapor utilizado en cada situación. Se puede emplear un ciclo directo de condensación o un

ciclo de calentamiento del agua de alimentación, en cuyo caso se extrae vapor de varias

partes de la turbina.

13.3 LAS TURBINAS MIXTAS (DERIVACIÓN Y CONDENSACIÓN).

Turbinas mixtas (derivación y condensación); son un compromiso entre los tipos anteriores.

En el curso de la expansión se extrae una parte del vapor a media presión (por ejemplo de 12

a 15 kgs/cm2), que es utilizado para el calentamiento de agua de alimentación o para diversas

necesidades de las unidades de fabricación.

En este caso se aprovecha enteramente el salto de presión solo para una parte del vapor

consumido (hasta su condensación), la parte remanente se deriva como vapor a presión más

baja.


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Figura 06; Secciones esquemáticas de turbinas multietapas, con extracciones.

Figura 07; Esquema descriptivo de las purgas de una turbina multietapa con recalentamiento.

Figura 08; Secciones esquemáticas de turbinas multietapas, con recalentamiento.


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05 GENERALIDADES SOBRE LOS COMPRESORES.

Los compresores son a los gases, lo que las bombas a los líquidos. En un sentido muy general

se debería hacer entrar en esta categoría a las máquinas soplantes y a los ventiladores, con eltérmino compresor designamos a toda máquina mecánica que permita la compresión o

transporte de gases.

Estos equipos auxiliares de la fabricación, tienen en general un precio muy elevado y un

funcionamiento delicado, a la vez que sus responsabilidades son enormes para la buena marcha

de las unidades. Su fallo es siempre una avería muy grave, que debe ser corregida con rapidez.

06 GENERALIDADES SOBRE LOS GASES.

El estado gaseoso se caracteriza porque los gases llenan completamente el recinto en el cual

están contenidos; si el recipiente aumenta de volumen el gas ocupa inmediatamente el nuevo

espacio, lo cual sólo es posible si existe un empuje, una fuerza ejercida contra las paredes.

Es también conocido desde hace muchos siglos, debido a los experimentos de Boyle, que el

volumen de un peso dado de cualquier gas seco, a temperatura constante, varía inversamente a

la presión a que se somete. Este experimento, cuya formulación precisa se debe a Mariotte, ha

dado lugar a la ley de Boyle-Mari otte cuyo enunciado es el siguiente:

Para cualquier masa de gas seco,(masa invariable), a temperatura constante, el producto de la

presión por el volumen correspondiente es constante.

Figura 09; Descripción esquemática de la ley de Boyle-Mariotte.


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La relación entre volumen “V” y temperatura “T” nos la da la ley de Gay-Lusac ; que afirma

que el volumen de una masa dada de cualquier gas a una presión constante aumenta en 1/273

de su valor a 0º C por cada grado centígrado que aumenta su temperatura. En otras palabras, a

una presión constante, el volumen de un gas es proporcional a su temperatura en ºK.

Figura 10; Descripción esquemática de la ley de Gay-Lusac.

La tercera ley de los gases, conocida como ley de la presión, establece que a volumen

constante, la presión de un gas es proporcional a su temperatura absoluta (en ºK); es decir,

P/T = constante.

Éstos y otros comportamientos de los gases se deben a lo que se ha denominado teoría cinético-

molecular de los gases, cuyos postulados son los siguientes:

j Un gas está constituido por un enorme número de moléculas en continuo movimiento.

k Si las moléculas están constituidas por un solo átomo, su movimiento es solamente de

traslación; si por el contrario están formadas por varios átomos, existen también

movimientos de rotación de la molécula y de vibración de los átomos.

l Los choques de las moléculas contra la superficie M recipiente donde está contenido el gasda lugar a la presión que ejerce el gas,

m Aunque extraordinariamente pequeño, las moléculas tienen un cierto volumen, por lo que

chocan entre sí dando lugar al movimiento caótico molecular, en el que las moléculas se

mueven en zig-zag en todas las direcciones y con todas las velocidades.

Aunque a temperatura ordinaria la velocidad es de algunos centenares de metros por

segundo, la distancia media entre dos choques, denominada recorrido libre medio, es muy

pequeña, del orden de 0,00001 mm (cienmilésimas) en C.N.(condiciones normales),

variando inversamente a la presión.


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n Como las moléculas no se sedimentan, los choques entre sí y contra las paredes del

recipiente son completamente elásticos, por lo que no varía la cantidad de movimiento.

o El calor no es una forma especial de energía, sino que consiste en la energía mecánica de sus

moléculas, de tal forma que el calor de un gas viene determinado por la suma de la energía

cinética de sus moléculas.

p Las moléculas se atraen entre sí por fuerzas que dependen de su estructura, de su posición

relativa y de la distancia que las separa. Debido a ello tienen una cierta energía potencial que

depende de la presión. Cuando la presión n tiende a cero, las fuerzas atractivas y la energía

potencial tienden a ser nulas.

Estos postulados explican que:

Æ Si se comprime un gas, al disminuir el volumen ocupado por el mismo, los choques

moleculares contra las paredes serán más frecuentes y, por lo tanto la presión aumenta.

Æ Si se aumenta la temperatura del gas, lo que significa que la energía cinética de las

moléculas se hace mayor, los choques moleculares contra las paredes serán más frecuentes y

vigorosos y en consecuencia la presión aumenta.

Por otra parte la estructura mecánica establecida en los anteriores postulados permite aplicar a

las moléculas en movimiento las leyes de la dinámica, deduciéndose a partir de ellas la

ecuación:

P x V = n x R x T

Que liga la presión “P”, la temperatura “T” y el volumen “V” de un gas y que se denomina

“ecuación general de los gases perfectos”, (debido a que los gases reales no cumplen dicha

ecuación), con el valor R = constante universal o molar de los gases = P0V0 / 273,15º K; siendo

n = nº de moles que intervienen en la ecuación.

El comportamiento de los gases reales en la compresión como se ha indicado no sigue la

exactamente la llamada “ecuación general de los gases perfectos”, Según la anterior ecuación

de los gases ideales, PV = nRT, si una masa de un gas cualquiera se somete a cambios de

presión sin variar la temperatura, el producto PV debe de ser constante, es decir, que si de un

estado inicial P y V se pasa a otro P1 y V1, siendo P1 > P, se cumplirá que:

PV = P1V1.


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Ahora bien, esto no es absolutamente cierto para los gases reales, tal como se puede ver en las

curvas en las figuras reflejadas en la pagina siguiente, obtenidas para distintos gases y distintas

presiones. Estas curvas nos indican que la desviación del comportamiento ideal depende del

gas, de la presión a que se ha sometido y de la temperatura a que se investiga.

A temperaturas ordinarias, los gases reales son inicialmente más comprensibles, el producto PV

disminuye, hasta llegar a una presión a partir de la cual se comportan a la inversa,

comprimiéndose menos de lo que podría esperarse, si bien existen otros gases, como el

hidrógeno, que son en todo momento menos comprensibles, aunque a temperaturas

suficientemente bajas se comportan análogamente a los otros gases.

Figura 11; Gráficos de la relación entre el producto PV y la presión.

La forma de estas curvas, por las que los gases reales al aumentar la presión son inicialmente

más compresibles y después menos compresibles que un gas perfecto, se debe a dos causas

opuestas que provocan la desviación del comportamiento ideal:

? La atracción molecular, que frena las moléculas en el momento del choque y da lugar a que

la presión resultante ejercida sea menor que el valor calculado ideal.

? Que las moléculas tienen volumen propio, no son puntos materiales y, por consiguiente, el

volumen que puede disminuir, al aumentar la presión, no es el volumen totalmente ocupado

por el gas sino el volumen que las moléculas tienen realmente disponible.


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Una prueba de la existencia de fuerzas atractivas entre las moléculas de un gas, es el hecho de

que al expandirse bruscamente se enfría aunque no se verifique trabajo exterior (Efecto

Joule-Thompson), ya que al expandirse, las moléculas quedan más separadas por lo que debe

consumirse trabajo para vencer las fuerzas de cohesión que tienden a unirlas.

Como este trabajo se realiza a expensas de la propia energía cinética del gas, ésta disminuye y

en consecuencia la temperatura se hace menor {T= f(v) }.

Por otra parte las moléculas ocupan un cierto volumen lo que da lugar a que cuando dos de

ellas se encuentran, sus centros no estarán en contacto como ocurriría si fuesen puntos

materiales, como se aprecia en el dibujo adjunto, sino que estarán separadas una distancia igual

al doble de su radio molecular, es decir, hay un

volumen inaccesible a las dos partículas imaginadas

como puntos materiales, como se refleja en el dibujo

siguiente.

Figura 12; Separación (mínima) entre centros de moléculas gaseosas.

El volumen accesible que realmente se modifica, al modificar

la presión, es igual al volumen total ocupado por el gas menos

un volumen teórico, llamado covolumen, que corresponde al

ocupado por las moléculas.

Figura 13; Representación (simbólica) del volumen y el covolumen.

La anterior expresión PV = nRT, se convierte entonces, para un mol (*) de gas real, en la

siguiente expresión:

(P+a/V2) (V-b)= RT (ecuación de Van der Waals).

Donde “a” y “b” son valores característicos de cada gas y varían algo al variar la presión y la

temperatura.

(*) Un mol ⇔ molécula gramo, es la cantidad de cualquier sustancia cuyo peso en gramos es

igual a su masa atómica o molecular, es decir, un mol de agua = H 2O = 18 g.


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Prácticamente la desviación de los gases reales con respecto a los ideales, en el caso de la

comprensión, se compensa a través del factor de compresibilidad, “Z”, definido por la relación

entre el volumen de un gas en unas condiciones de presión y temperatura y el que tendría si su

comportamiento fuese ideal. Teniendo en cuenta dicho factor, la ecuación general de los gases

reales sería:

PV = ZRT

Los valores de Z están recogidos en gráficos para la mayoría de los gases. En la figura siguiente

se indican los valores de “Z” para el aire en función de la presión (PSI) y la temperatura (ºF).

Figura 14; Gráfico para determinar el factor de compresibilidad del aire.

Cuando se efectúa la compresión de un gas, se produce el calentamiento del mismo, debido a

que el trabajo realizado por el émbolo en su recorrido es transmitido al gas produciéndose un

aumento de su energía interna, el cual se reparte en dos conceptos:

? Una pequeña parte aumenta las fuerzas de cohesión de sus moléculas para aproximarlas.

? El resto se obtiene del incremento de la velocidad de las moléculas, ya que en los choques

que se producen entre las moléculas del gas y el émbolo móvil, hay una variación, aumento

de la cantidad de movimiento de las mismas, y en consecuencia hay un aumento de la

velocidad y por lo tanto de la temperatura (calor).


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La existencia de dicho calor determina la existencia de dos ciclos básicos de compresión:

â Compresión isoterma (T= cte.), en la cual la temperatura del gas es mantenida constante a

medida que aumenta la presión y que se expresa (para un gas ideal) mediante la ecuación:

PV = P1V1 = constante.

â Compresión adiabática, en la cual no se elimina o añade calor durante la misma y que se

expresa por la ecuación: PVk = PV1= constante.

Donde “k” representa la relación entre los calores específicos, a presión y temperatura

constantes. k= c p / cv

En la práctica, en compresores, es imposible realizar uno de estos ciclos de compresión puros;

por la imposibilidad de eliminar el calor tan rápidamente como se produce y que durante una

parte del ciclo también puede haber una pérdida calor. En la realidad, el funcionamiento de los

compresores de gas se basa en:

Æ El desplazamiento de un émbolo con la consiguiente reducción del volumen, compresores

alternativos.

Æ En comunicar energía cinética al gas por la acción de la fuerza centrífuga trasmitida por

unos álabes giratorios, y su posterior conversión en energía de presión, compresores

dinámicos.

En el primero de los casos el ciclo se aproxima más al ciclo adiabático, mientras que en el

segundo caso, de los compresores dinámicos, estos se adaptan más a lo que se denomina ciclo

politrópico, cuya expresión viene determinada por la ecuación:

PVn = P1V1n= constante.

Siendo “n” un exponente determinado experimentalmente para un tipo dado de máquina y que

puede ser mayor o menor que el exponente “k” de la compresión adiabática.

No se ha considerado como un ciclo básico de compresión, en razón de que el exponente “n” se

determina experimentalmente teniendo en cuenta la eficiencia y condiciones reales de la

máquina.


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07 USOS DE LOS COMPRESORES.

Los compresores se utilizan para suministrar aire comprimido y/o reducir el volumen de un gas,

se utilizan principalmente, para servicios diferentes:j Aire de servicio; este aire de servicio debe tener una presión de 7 a 10 kg/cm2, debe estar

parcialmente desecado y tener un bajo nivel de aceite; sus usos son:

â Alimentación de la admisión (aire motor) de servomotores y de las válvulas de control.

â Para funcionamiento de las herramientas neumáticas.

â Para accionamiento de aparejos y cabrestantes, en atmósferas gaseosas.

k Aire de procesos ; este aire no suele ser suministrado por la red de “utilities”, sino

directamente por un compresor, que forma parte de los elementos auxiliares de la instalación

de proceso; se utiliza en:

? Insuflado de aire para agitación de líquidos.

? El transporte neumático de catalizador o tierras activadas.

? La regeneración de catalizadores por combustión.

? Los diversos procesos de oxidación.

l Aire de instrumentos; cada vez se utiliza en menor cantidad; las especificaciones con

origen en los EE.UU., sólo prevén una presión de impulsión de 5 kg/cm2 y que la presión de

utilización no exceda de los 2,8 kg/cm2, se utilizan los compresores de aire de pistón, porque

dan una presión de 8 a 10 kg/cm2 que proporcionan un amplio coeficiente de seguridad, para

las pérdidas de carga en las líneas de distribución y en el secador; se emplea para:

Æ El control de la modulación del aire de servicio, de las válvulas de regulación y/o control.

Æ El mando directo de las pequeñas válvulas de control.

Æ El mando de la regulación de los compresores de gas, tipo «dual control».

Æ La sobrepresión de cajas de aparatos eléctricos en zonas antideflagrantes.

Æ La sobrepresión (algunas veces), de salas de control completas.

Los compresores de gas se emplean en:

´ Reformado catalítico para el reciclo, a alta presión, de los gases ricos en hidrógeno.

´ Las unidades de fraccionamiento de gases, para dar presión a torres, o para licuar los gases.

´ Las centrales frigoríficas, para el desparafinado de aceite y el desasfaltado con propano;

´ Como “tapón” en el transporte de gas natural a través de un “pipe-line”.

´ La reinyección de gas en los pozos de extracción.


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08 CARACTERÍSTICAS DE LOS COMPRESORES.

Desde un punto de vista geométrico, los compresores son semejantes a las bombas del mismo

tipo, salvo que en lugar de líquidos, trasiegan aire o gases; en particular, un compresor alternativoes idéntico a una bomba alternativa, estando formado por; cilindro, pistón deslizante, válvulas de

aspiración, etc.

Son cuatro los métodos que se emplean para comprimir un gas:

? Confinamiento de un determinado volumen de gas en un recinto, reducción del volumen del

recinto, con el consiguiente aumento de la presión del gas, y descarga del gas.

? Atrapamiento consecutivo de una determinada cantidad de gas en un recinto, transportando-

lo dentro de él sin cambio de volumen hasta el punto de descarga en donde se produce la

compresión del mismo por contrapresión.

? Compresión del gas por la acción mecánica de impulsores o paletas giratorias que le

confieren velocidad y algo de presión, conversión posterior de la energía de velocidad en

energía de presión mediante la acción de difusores o paletas fijas.

? Introducción del gas a comprimir en una tobera por la que circula el mismo gas u otro a gran

velocidad y posterior conversión de la velocidad de la mezcla en presión mediante un

difusor.

Analizando los anteriores métodos se desprende que en los dos primeros casos se suministra un

caudal intermitente de gas, mientras que en los otros dos el caudal de gas suministrado es

continuo.

Figura 15; Esquema de las características de los compresores.


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09 TIPOS DE COMPRESORES.

Sus diferencias vienen motivadas por la compresibilidad del fluido, y el campo de aplicación,

que es definido por caudales limitados y altas presiones (4.000 kg/cm

2

). Los compresores que seemplean en las refinerías y en las plantas de proceso, como se ha mencionado, se diferencian de

acuerdo con el fluido transportado; aire o hidrocarburos gaseosos, pero también deben ser

diferenciados por sus condiciones de funcionamiento, como se ve en el esquema precedente, en

base a este ultimo aspecto, el más habitual, se pueden clasificar como:

? De flujo intermitente.

? De flujo continuo.

También pueden ser clasificados por la forma de su movimiento, como:

Æ Alternativos.

Æ Rotativos.

Æ Dinámicos.

Los compresores alternativos, o de embolo; pueden tener los cilindros en horizontal, en vertical,

en "V"; en "L"; se utilizan para toda clase de uso y caudal. Su potencia llega hasta 6.000 CV. Su

caudal puede alcanzar los 500 m3/hora, medido en las condiciones de aspiración.

Los compresores rotativos; pueden ser; de paletas, de lóbulos, de tornillo, axiales, o

centrífugos; sus características fundamentales son:

â Permiten un caudal de hasta 1.500 m3 /hora, en las condiciones de aspiración.

â Pueden llegar a una relación volumétrica de compresión, de 1 a 15.

â Sus ventajas principales son:

´ Carencia de aparatos auxiliares.

´ Bajo nivel de entretenimiento.

´ Rendimiento equivalente a los compresores de pistón para potencias superiores a 500 CV.

Los inconvenientes de los compresores rotativos; son:

? Coste elevado.

? Dificultades para suministrar un fluido “seco”.


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10 LOS COMPRESORES ALTERNATIVOS.

Están constituidos en su forma más elemental por un cilindro en

cuyo interior se desplaza un émbolo y que mediante la acción de dosválvulas, aspiración e impulsión, que abren cuando la presión

diferencial alcanza un determinado valor, permite comprimir un

fluido. Según sea una o las dos caras del émbolo las que pueden

comprimir el gas, se les denomina de simple o de doble efecto.

En las refinerías se utilizan los compresores accionados por turbinas

y reductor, o bien, por un motor de gas. En tiempos pasados se han

utilizado compresores alternativos accionados por cilindros de vapor,

que prácticamente no se utilizan hoy en día, tampoco se usan los

accionados por un motor eléctrico, por los problemas de instalación

que presentan en las zonas peligrosas.

Figura 16; Sección de un compresor de doble efecto.

Las magnitudes necesarias para definir un compresor de este tipo son:

? Qv = Caudal en volumen.

? Q p = Caudal en peso.

? P1 y P2 = Presión del gas en la aspiración y en la impulsión.

? T1 y T2 = Temperatura del gas en la aspiración y en la impulsión.

Para obtener el caudal en peso, partiendo del caudal en volumen, es necesario conocer el peso

especifico “γ ” del gas, en condiciones de aspiración y aplicar la formula:

Q p = Caudal en peso en kg/h = Qv en m3 /h x “γ ” en kg /m3.

Las características de funcionamiento de estos equipos vienen condicionado por cuatro

parámetros principales:

j Relación de compresión “τ”; si llamamos Pa a la presión absoluta de aspiración y Pr a la

presión absoluta de impulsión, la relación de compresión “τ” se define por: τ = Pr / Pa

Limitada por etapa, de 1 a 4, si el aparato se encuentra en una zona antidefiagrante, para los

compresores que absorben más de 15 CV, cualquiera que sea el fluido comprimido.


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Para los demás casos de utilización, es del orden de 1 a 11; esta relación no se alcanza en la

práctica, ya que se obtiene economía de potencia multiplicando el número de etapas.

Esta economía resulta de la reducción de volumen aparente en la aspiración de la etapa

siguiente, por la posibilidad de efectuar una refrigeración intermedia entre cada etapa, pero

se tiene una pérdida de potencia, por la pérdida de carga en el circuito refrigerante, que

obliga a aumentar la relación de compresión en la próxima etapa.

Por ultimo, la relación de compresión queda limitada por la temperatura teórica de la salida

del fluido, que no debe sobrepasar los 180 ºC, para que tengan un buen funcionamiento las

válvulas de salida (escape) y la lubrificación.

k La potencia de compresión, que se expresa en CV /103 m3 /h., se determina con la ayuda de

gráficos, considerando un rendimiento del 0,85 para la maquina y corrigiendo la densidad

del fluido respecto al aire.

l La velocidad lineal del pistón (embolo); en cilindros lubrificados, puede alcanzar los 3,5

m/s., cuando se utilizan aros (segmentos) grafitados, no se deben superar los 2,0 m/s., en

servicio continuo y los 2,5 m/s., en servicio intermitente.

Figura 17; Sección descriptiva de motocompresor (2T) alternativo horizontal de doble efecto.

m La regulación del caudal en función de alguno de estos elementos; presión de aspiración

constante y/o presión de impulsión constante; esto se puede conseguir por diversos medios,

como los siguientes:


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? Variación de la velocidad del sistema de accionamiento motriz del compresor.

? Dispositivos estáticos o dinámicos mon-

tados en compresores de velocidad

constante.

Figura 18; Aspecto externo de motocompresor

alternativo, con motor de gas en “V”.

Figura 19; Sección descriptiva de motocompresor alternativo horizontal, con motor de gas en “V”.

Figura 20; Aspecto externo de compresor alternativo horizontal.


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11 LOS COMPRESORES ROTATIVOS.

En este tipo de compresores se produce un desplazamiento del gas por la acción de elementos

rotatorios, mientras que la compresión puede efectuarse de distintas formas, lo que da lugar adistintos tipos de aparatos:

11.1 Los compresores de paletas.

Cuando el caudal a circular es tal que obligaría a usar un compresor de pistones de

grandes dimensiones, y uno centrífugo no se puede encontrar a un precio razonable,

debido a la relación de compresión que obligaría a un número grande de etapas, el

compresor de paletas puede aportar, en algunos casos, una solución interesante.

Estos compresores volumétricos rotativos tienen la ventaja de asegurar un caudal

continuo, prácticamente sin pulsaciones, si la frecuencia de paso de las paletas delante de

las lumbreras de impulsión es elevada. Su volumen es pequeño con relación a su

capacidad y su simplicidad de

construcción reduce los gastos de

entretenimiento.

Figura 21; Esquema del funcionamien-

to del compresor de

paletas.

La estructura interna de estos

compresores, es idéntica a las

bombas del mismo tipo.

Están constituidos por un cilindro en cuyo interior gira un rotor con aletas que pueden

deslizar radialmente. Al girar el rotor, el gas contenido entre la pared del cilindro y cada

una de las celdas delimitadas entre dos aletas del rotor se va comprimiendo hasta llegar al

orificio de salida.

No necesitan disponer de válvulas de admisión y de escape, pudiéndose variar la presión

final alcanzada por el gas según sea la situación del orificio de descarga.


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11.2 Los compresores de lóbulos.

Están constituidos por una carcasa o envolvente formada por la intersección de dos

cilindros paralelos, en cuyo interior giran en sentido contrario dos árboles provistos deengranajes lobúlares que engranan mutuamente. El gas es atrapado entre cada una de las

celdas definidas por los lóbulos y la envolvente, siendo transportado hasta el punto de

descarga en cuyo momento se

produce la compresión del gas por

contrapresión.

Figura 22; Esquema del funciona-

miento del compresor de

lóbulos.

11.3 Los compresores de tornillo.

Estos compresores están constituidos por una carcasa en cuyo interior giran, en sentido

contrario, dos rotores helicoidales que engranan entre sí. Estos compresores son

homólogos a los de lóbulos, cada cuerpo de compresión esta formado por dos rotores

cuya sección, por un plano perpendicular a su eje de rotación, se muestra en la figura.

El fluido es transportado axialmente debido al movimiento de losrotores y simultáneamente va siendo comprimido contra la pared

de la carcasa. Según se sitúen los orificios de salida variará la

relación de compresión.

Figura 23; Sección de un compresor de tornillo.

Es decir, la sección evoluciona a lo largo del eje según un helicoide, de manera que el

contacto entre los perfiles no se efectúa sino un plano perpendicular al eje, y en el curso

de la rotación el contacto se desplaza de una extremidad a la otra de los rotores.


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12 LOS COMPRESORES DE FLUJO CONTINUO.

Son compresores dinámicos constituidos por una carcasa en cuyo interior va alojado un rotor

de álabes o paletas, las cuales al girar comunican energía cinética al gas para posteriormenteconvertirla en energía de presión por la acción de un difusor o de paletas estacionarias. Dentro

de ellos se pueden distinguir dos tipos:

? Compresores centrífugos.

? Compresores axiales.

Para establecer la diferencia entre las diferentes maquinas rotativas que manejan o mueven

volúmenes de aire o gas, el “Compressed Air & Gas Institute” ha hecho la siguiente

clasificación:

Æ Sopladores o turbo-sopladores; cuando la presión manométrica en la descarga es inferior a

40 PSI ⇔ 2,8 kg/cm2.

Æ Compresores o turbocompresores, cuando la presión de la descarga es superior a 40 PSI.

Æ Ventiladores; son máquinas centrífugas de baja velocidad, que manejan grandes volúmenes

de fluidos a presiones manométricas muy bajas, inferiores a 1,0 PSI ⇔ 0,07 kg/cm2.

12.1 Los compresores centrífugos.

En este tipo de compresores el gas fluye radialmente desde el centro del compresor a la

periferia y la energía transferida al mismo viene determinada por la acción de la fuerza

centrífuga que actúa sobre él. El gas es posteriormente recogido en la voluta exterior y

pasa a un difusor donde se transforma la energía dé velocidad en energía de presión.

Estos aparatos funcionan según el mismo principio que las bombas centrífugas, es decir,

proporcionan el bombeo o acción compresora por la rotación de los álabes en el rodete;

tienen una o más etapas de compresión; cada una posee un rodete, en el cual el gas recibe

una energía cinética, que se transforma

en presión en el difusor.

Figura 25 Sección descriptiva de un compre-

sor centrifugo de una etapa.


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Figura 26 Aspecto externo de un

compresor centrifugo de

una etapa.

Figura 27 Sección descriptiva de

un compresor centrifu-

go de una etapa.

A la salida del rodete, en el caso de los compresores multietapa, el gas a presión se dirige

hacia la aspiración del siguiente rodete, a través de un canal, que tiene, algunas veces

álabes fijos destinados a evitar los torbellinos y reducir la pérdida de carga entre etapas.

La diferencia entre un compresor centrífugo de pasos múltiples y una bomba centrífuga

del mismo tipo, es que en los compresores el ancho de los rodetes va disminuyendo

desde la admisión a la salida (alta presión) debido a la disminución del volumen delfluido cuando el gas se comprime.


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Figura 28; Sección descrip-

tiva de compre-

sor centrifugo

multietapa.

Los compresores centrífugos tienen rodetes radiales y el flujo pasa a través de la máquina

en dirección axial. Estos rodetes pueden ser abiertos, semicerrados, o cerrados. Los

álabes pueden ser rectos o curvados hacia atrás.

En las unidades de pasos múltiples se tienen difusores, localizados entre los diferentes

pasos a fin de obtener una conversión más eficiente del factor de velocidad, al de carga de

presión estas máquinas centrífugas tienen ventajas muy definidas sobre los compresores

de pistón cuando se manejan grandes volúmenes de aire a bajas presiones relativas.

Gran parte de la terminología que se usa en los compresores centrífugos es la misma que

ya se ha utilizado para las bombas centrífugas, pese a lo cual se citan a continuación:

? Paso simple; cuando el compresor dispone de un solo rodete , hilera de aletas, o

álabes.

? Pasos múltiples; cuando se dispone de dos o más rodetes, hileras de aletas, o álabes.


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? Grupo simple; definido por el “Air & Gas Institute”, como cualquier grupo de rodetes

o difusores separados, que trabajan como una unidad acoplada en el mismo eje, con

cubierta simple y sin enfriamiento entre los rodetes.

? Grupo de pasos múltiples; cuando se tienen dos o más grupos de pasos, accionados

por el mismo motor y con enfriamiento entre ellos.

? Presión equivalente de aire; es un término utilizado en compresores centrífugos y

axiales, a efectos de comparación. Es la presión manométrica en PSI, que un

compresor con carga normal puede desarrollar cuando succiona aire a la presión

absoluta de 14.4 PSI ⇔ 1,0 kg/cm2 @ 60 ºF.

Constructivamente, el compresor esta realizado del siguiente modo:

j Un estator, constituido por dos partes unidas horizontalmente, metal contra metal, sin

juntas. Cada una de estas partes recibe por encaje los semi elementos fijos de la vena

de flujo, los difusores y los canales de circulación de gas entre etapas.

Estos órganos fijos forman en el interior del estator, las separaciones que limitan cada

etapa y que contienen el orificio de paso del eje, que soporta los rodetes.

Figura 29; Vista en desmontaje, de un compresor centrifugo, con junta horizontal.

k Para evitar las fugas internas entre dos etapas contiguas, a través del orificio de paso

del eje, se han situado los cierres de estanqueidad junto a/en los cojinetes de apoyo,

los cuales suelen estar divididos en dos partes y provistos de sello/engrase a presión.


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l El rotor esta constituido por un eje que lleva, los cojinetes, el collar de empuje y el

pistón de equilibrio; sobre este árbol están enchavetados los rodetes, cuya construcción

varía principalmente según la velocidad periférica. En los compresores centrífugos

actuales la velocidad periférica llega a 350 m/s (1.260 km/h), lo que permite relaciones

de compresión de 1,5 a 2, por rodete. Estas velocidades sólo son obtenidas en rodetes

soldados en atmósferas de argón, en el resto de los casos, solo se aceptan velocidades

máximas de 200 a 250 m/s.

En estos compresores, la estanqueidad es un problema crítico; se utilizan tres tipos de

cierre.

j Cierre de laberinto; se utiliza principalmente en los compresores de aire, en los que

se puede admitir una débil fuga al exterior. Por el lado donde sale cada extremo de¡

eje, el laberinto está formado por laminillas y ranuras mecanizadas en el eje. Este

mecanismo de cierre puede ser complementado con un aro de grafito, a la salida de la

caja del laberinto, a fin de reducir la fuga que se produce a través de la holgura de 0,2

a 0,3 mm. en el eje.

k Cierres mecánicos; se funda en el contacto de una junta fija de grafito, teflón, etc.,

con el eje; debido al rozamiento se produce un desprendimiento de calor. Para evitar el

deterioro del cierre, se inyecta aceite a presión para evacuar el calor, se utiliza hasta

los 20 kg/cm2.

l Cierres hidráulicos; la estanqueidad se consigue mediante una película de aceite, que

se forma entre el cierre y el eje. El cierre está formado por un aro atravesado por el eje,

que lleva en su centro un orificio de llegada de aceite. El aceite entra bajo presión

entre el eje y el aro, para escapar por las bocas laterales, estas dos bocas situadas en

los lados de los aros de aspiración e impulsión, se colocan a igual presión mediante untubo de equilibrio, que los deja unidos a una caja a presión, que recibe la fuga interna

del aceite.

La eficacia de la junta hidráulica reside en la diferencia constante de presión entre la

llegada del aceite al cierre y el fluido en el interior del compresor. Cuando esta

diferencia de presión cae por debajo de un cierto límite, a causa de alguna avería en el

circuito de sellado, un dispositivo de seguridad para el motor o turbina de

accionamiento del compresor. El circuito de aceite de estanqueidad es siempreindependiente del de engrase y posee bombas, filtros y refrigerantes propios.


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Cuando la relación de compresión es importante aparece una elevación de temperatura,

que es perjudicial tanto para la potencia a consumir, como para el buen funcionamiento

del compresor y, en particular, de su lubrificación. Por ello es necesario refrigerar el

compresor; se utilizan dos métodos:

? Circulación de agua por el exterior del cuerpo de cada etapa creándose unas cámaras

de agua, como el motor de un automóvil.

Cada etapa recibe el agua a la misma temperatura, de manera que se puede

teóricamente mantener temperatura constante, a lo largo de todos los escalones. Es un

procedimiento costoso dada la forma complicada de las cámaras; su limpieza requiere

la parada del compresor presenta un volumen reducido.

? Refrigeración exterior entre etapas; según la construcción y condiciones de

funcionamiento, el fluido sale del compresor cada dos, tres o cuatro etapas, para ir a un

enfriador de agua, a la salida del cual es de nuevo introducido en la aspiración de las

etapas siguientes. El enfriador, puede ser independiente del compresor, o formar parte

de él. Esta solución da grandes dimensiones para el equipo.

La compresión de ciertos fluidos a alta presión presenta problemas de estanqueidad, que

no evita la junta horizontal del compresor clásico. Esto se resuelve colocando un

compresor con junta horizontal dentro de un cuerpo externo, con dos juntas verticales,

una en cada extremo.

Cada etapa lleva un difusor y un canal de retorno, es independiente y está formada por

semi elementos cilíndricos colocados uno a continuación de otro, constituyendo un

compresor multicelular en el interior del cuerpo externo. La horizontalidad de las juntas

de los cuerpos internos está asegurada por los índices de centrado.

En el cuerpo externo se localizan las bridas verticales, que llevan los conductos de

aspiración e impulsión, así como los cojinetes del eje y las cajas de los cierres

hidráulicos. Se obtiene así un conjunto perfectamente estanco.

Como se ha indicado, el tipo de accionamiento de un compresor condiciona su

regulación.


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En un compresor alternativo el caudal es función de su velocidad, en uno centrífugo

también depende de la resistencia que el fluido encuentra en la línea de impulsión; hay

dos formas de regulación:

j Funcionamiento a velocidad constante; la regulación se consigue mediante una

válvula colocada sobre el conducto de aspiración, accionada por un servomotor

hidráulico o neumático, gobernado mediante un caudalímetro en la aspiración, para

regular el caudal o controlador de presión en la impulsión. Esta solución produce un

laminado del fluido con su consiguiente pérdida de carga.

k Funcionamiento con velocidad variable; en el caso de accionamiento mediante una

turbina, se gobierna la velocidad de rotación con la variable regulada, que comunica su

impulso al regulador de la turbina, que, a su vez, da la abertura conveniente a los

obturadores de vapor o gas; debe considerarse que en las refinerías es conveniente usar

una turbina de vapor, debido a las necesidades de vapor de media y baja tensión, de las

unidades, como en los campos de gas, resulta adecuado el accionamiento por turbina

de gas.

Figura 30; Vista en desmontaje, de un compresor centrifugo, con junta vertical.


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Curso de tuberías para plantas de proceso - 0201 Turbinas & Compresores

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