Manual de Aire Comprimido 7ma Edicion

8/13/2019 Manual de Aire Comprimido 7ma Edicion

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AtlasCopcoAirpow

erNV,Belgium,2011

Manual del aire comprimido

7 edicin


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AtlasCopcoAirpowerNV,Belgium,2011

Este manual ha sido publicado por:

Atlas Copco Airpower NV

Boomsesteenweg 957

B-2610 Wilrijk

Blgica

Queda prohibida la reproduccin tot al o parcial delcontenido de esta publicacin de acuerdo con lasleyes de propiedad intelectual, salvo autorizacinprevia de Atlas Copco Air power NV. Esto incluyecualquier forma de reproduccin mediante impre-sin, duplicacin, fotocopia, medio electrnico,etc.

Queremos agradecer las ilustraciones y contribu-ciones que hemos recibido de nuestros clientes yproveedores, en especial de: ABB, Siemens, Vat-tenfall y AGA.

Atlas Copco Airpower NVJefe de proyecto: Piet Fordel

ISBN: 9789081535809

Bienvenido!

Si est leyendo este manual, enhorabuena. Con ello, ya est demostrando su g rado de profesionalidad.Independientemente de su situacin, ya sea una persona de negocios, experto en fabricacin, cientfico,estudiante universitario o simplemente alguien que quiere aprender ms sobre el apasionante mundo delaire comprimido, es un honor para nosotros volver a compartir esta informacin.

La edicin anterior, la sexta, vio la luz en 1998. La quinta edicin se public en 1976. Como puede ver,llevamos dcadas con esta obra y todava seguimos mejorndola. Muchos ya deseaban, y nos habansolicitado, esta sptima edicin del Manual del ai re comprimido de Atlas Copco.

Este manual ha sido elaborado por algunos de los principales especialistas en tecnologa de aire com-primido del mundo. La pasin por la excelencia es el motor que nos impulsa a seguir revolucionandola gama completa de tecnologas de aire comprimido que se fabrican hoy en da. Nuestros ingenierosse esfuerzan por compartir lo que han aprendido creemos que esta transparencia es extremadamenteimportante para garantizar una mejora continua en la comunidad mundial del aire comprimido.

Como con cualquier tecnologa de vanguardia, siempre debern realizarse mejoras en las numerosasindustrias que utilizan aire comprimido. Nuestra misin reside en seguir ofreciendo una productividadresponsable por medio de una tecnologa de aire comprimido ms segura, ms limpia, ms rentable yde mayor eficiencia energtica.

Por tanto, agradecemos cualquier aportacin de todos los lectores que puedan tener sugerencias, pre-guntas o respuestas sobre los desafos del futuro. Para todos los que se adentran por primera vez en estadisciplina, disfruten de este libro de texto. Los que posean ms experiencia, por favor sigan usando elmanual como referencia. Esperamos que este manual aumente su inters y estimule su intelecto, ya quenuestra labor conjunta contribuir a mejorar an ms el mundo del aire comprimido.

Stephan KuhnPresidente de Tcnicas en Energa ComprimidaAtlas Copco

Agradecemos sus comentarios

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1 Teora

1.1 Fsica 101.1.1 La estructu ra de la materia 101.1.2 La molcula y los diferentes estados

de la materia 101.2 Unidades fsicas 11

1.2.1 Presin 111.2.2 Temperatura 111.2.3 Capacidad trmica 111.2.4 Trabajo 131.2.5 Potencia 131.2.6 Caudal volumtrico 13

1.3 Termodinmica 131.3.1 Principios 131.3.2 Leyes de los gases 14

1.3.3 Transferencia de calor 141.3.4 Cambios de estado 161.3.4.1 Proceso isocrico 161.3.4.2 Proceso isobrico 161.3.4.3 Proceso isotrmico 171.3.4.4 Proceso isentrpico 171.3.4.5 Proceso politrpico 17

1.3.5 Flujo de gas a travs de una tobera 181.3.6 Flujo a travs de las tuberas 181.3.7 Estrangu lacin 18

1.4 Aire 191.4.1 El aire en general 191.4.2 Aire hmedo 19

1.5 Tipos de compresores 201.5.1 Dos principios bsicos 201.5.2 Compresores de

desplazamiento positivo 201.5.3 Diagrama de compresores

de desplazamiento 201.5.4 Compresores dinmicos 22

1.5.5 Compresin en varias etapas 231.5.6 Comparacin: turbocompresor ydesplazamiento positivo 23

1.6 Electricidad 241.6.1 Terminologa bsica y definiciones 241.6.2 Ley de Ohm para corriente alterna 241.6.3 Sistema trifsico 251.6.4 Potencia 251.6.5 El motor elctrico 27

1.6.5.1 Velocidad de rotacin 271.6.5.2 Eficiencia 271.6.5.3 Clase de aislamiento 271.6.5.4 Clases de proteccin 271.6.5.5 Mtodos de refrigeracin 27

1.6.5.6 Mtodo de instalacin 28 1.6.5.7 Conexiones en estrella (Y) y

en tringu lo () 28 1.6.5.8 Par 29

2 Compresores y equipo auxiliar

2.1 Compresores de desplazamiento 32 2.1.1 Compresores de desplazamiento 32 2.1.2 Compresores de pistn 32 2.1.3 Compresores de pistn exentos aceite 32 2.1.4 Compresor de diafragma 34 2.1.5 Compresores de tornillo 34 2.1.5.1 Compresores de tornillo

exentos aceite 34 2.1.5.2 Compresores de tornillo inyectados 37 2.1.6 Compresores de ua 37 2.1.7 Compresores scroll 38 2.1.8 Compresores de paletas 40 2.1.9 Soplantes Roots 402.2 Compresores dinmicos 41 2.2.1 Compresores dinmicos en general 41 2.2.2 Compresores centrfugos 41 2.2.3 Compresores axiales 432.3 Otros compresores 43 2.3.1 Bombas de vaco 43 2.3.2 Compresores booster 43 2.3.3 Elevadores de presin 442.4 Tratamiento del aire comprimido 44 2.4.1 Secado del aire comprimido 44 2.4.1.1 Refrigerador posterior 45 2.4.1.2 Secador frigorfico 46 2.4.1.3 Sobrecompresin 47

2.4.1.4 Secado por absorcin 47 2.4.1.5 Secado por adsorcin 47

2.4.1.6 Secadores de membrana 50 2.4.2 Filtros 502.5 Sistema de control y regulacin 52 2.5.1 Regulacin en general 52 2.5.2 Principios de regulacin de los

compresores de desplazamiento 53 2.5.2.1 Venteo 53 2.5.2.2 Bypass 54 2.5.2.3 Estrangu lacin en la aspiracin 54 2.5.2.4 Venteo con estrangulacin

en la aspiracin 54 2.5.2.5 Arranque/para da 54 2.5.2.6 Regulacin de velocidad 54 2.5.2.7 Lumbrera de descarga variable 55

2.5.2.8 Descarga por vlvula de aspiracin 55 2.5.2.9 Cargadescarga parada 55 2.5.3 Principios de regulacin de los

compresores dinmicos 56 2.5.3.1 Regulacin en la aspiracin 56 2.5.3.2 Regulacin en la salida 56 2.5.3.3 Cargadescargapa rada 56 2.5.3.4 Regulacin de velocidad 56 2.5.4 Control y monitorizacin 57 2.5.4.1 General 57 2.5.4.2 Cargadescargapa rada 57 2.5.4.3 Control de velocidad 58 2.5.5 Monitorizacin de los datos 58 2.5.5.1 Medicin de la temperatura 58 2.5.5.2 Medicin de la presin 58 2.5.5.3 Monitorizacin 59

2.5.6 Sistema de control integral 60 2.5.6.1 Selector de secuencia de arranque 60 2.5.7 Control central 61 2.5.8 Monitorizacin remota 612.6 Compresores transportables 63 2.6.1 General 63 2.6.2 Nivel sonoro y emisiones de escape 63 2.6.3 Flexibilidad operativa 64

3 Diseo y servicio de lasinstalaciones de compresores

3.1 Diseo de las instalacionesde compresores 66

3.1.1 General 66 3.1.1.1 Clculo de la presin de trabajo 66 3.1.1.2 Clculo del consumo de aire 67 3.1.1.3 Medicin del aire requerido 68 3.1.2 Centralizacin o descentralizacin 69 3.1.2.1 General 69 3.1.2.2 Instalaciones centralizadas

de compresores 69 3.1.2.3 Instalaciones descentralizada s

de compresores 69 3.1.3 Diseo para funcionar a gran altitud 69 3.1.3.1 General 69 3.1.3.2 El efecto en un compresor 70 3.1.3.3 Fuente de energa 71 3.1.3.3.1 Diseo de motores elctricos 71 3.1.3.3.2 Diseo de motores IC 713.2 Tratamiento del aire 72 3.2.1 General 72 3.2.2 Vapor de agua en el aire comprimido 72 3.2.3 Aceite en el aire comprimido 73

3.2.4 Microorganismos en el aire comprimido 74 3.2.5 Filtros 74

3.2.6 Refrigerador posterior 75 3.2.7 Separador de humedad 75 3.2.8 Separacin de aceite / agua 75 3.2.9 Aire medicinal 763.3 Sistema de refrigeracin 77 3.3.1 Compresores refrigerados por agua 77 3.3.1.1 General 77 3.3.1.2 Sistema abierto sin circulacin de agua 77 3.3.1.3 Sistema abierto con circulacin de agua 77 3.3.1.4 Sistema cerrado 78 3.3.2 Compresores refrigerados por aire 78

3.4 Recuperacin de energa 79 3.4.1 General 79 3.4.2 Clculo del potencial de recuperacin 81 3.4.3 Mtodos de recuperacin 82 3.4.3.1 General 82 3.4.3.2 Sistema refrigerado por aire 82 3.4.3.3 Sistema refrigerado por agua 823.5 La sala de compresores 84 3.5.1 General 84 3.5.2 Emplazamiento y diseo 85 3.5.3 Fundacin 85 3.5.4 Aire de aspiracin 85 3.5.5 Ventilacin de la sala de compresores 863.6 Distribucin del aire comprimido 89 3.6.1 General 89 3.6.1.1 Depsito de aire 89 3.6.2 Diseo de la red de aire comprimido 90 3.6.3 Dimensionado de la red de aire

comprimido 90 3.6.4 Medicin del caudal 93

3.7 Instalacin elctrica 94 3.7.1 General 94 3.7.2 Motores 94 3.7.3 Mtodos de arranque 94 3.7.4 Tensin de mando 95 3.7.5 Proteccin contra cortocircuito 95 3.7.6 Cables 95 3.7.7 Compensacin de fase 963.8 Sonido 96 3.8.1 General 96 3.8.2 Absorcin 97 3.8.3 Constante de la sala 97 3.8.4 Reverberacin 97 3.8.5 Relacin entre nivel de potencia


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acstica y nivel de presin acstica 983.8.6 Mediciones de sonido 983.8.7 Interaccin de varias fuentes de sonido 993.8.8 Reduccin del ruido 993.8.9 Ruido dentro de las instalaciones de compresores 100

4 Economa

4.1 Coste 1024.1.1 Coste de produccin deaire comprimido 102

4.1.1.1 General 1024.1.1.2 Asignacin de costes 103

4.2 Oportunidades de ahorro 1034.2.1 Potencia requerida 1034.2.2 Presin de trabajo 1034.2.3 Consumo de aire 1044.2.4 Mtodo de regulacin 1054.2.5 Calidad del aire 1064.2.6 Recuperacin de energa 1074.2.7 Mantenimiento 108

4.2.7.1 Planificacin del mantenimiento 1084.2.7.2 Equipo auxiliar 109

4.3 Coste del ciclo de vida 1094.3.1 General 1094.3.2 Clculo CCV 110

5 Ejemplo de clculo

5.1 Ejemplo de diseo deinstalaciones de aire comprimido 114

5.2 Datos de entrada 1145.2.1 Necesidades de aire comprimido 1145.2.2 Condiciones ambientales para la seleccin 1145.2.3 Especificaciones adicionales 114

5.3 Seleccin de componentes 1155.3.1 Dimensionamiento del compresor 1155.3.2 Seleccin final del compresor 1165.3.3 Seleccin del depsito de aire 1165.3.4 Seleccin del secador 1165.3.5 Resumen para continuar el clculo 1175.3.6 Comprobacin de los clculos 117

5.4 Trabajo de diseo adicional 1185.4.1 Clculo de la cantidad de

condensados producidos 1185.4.2 Requisitos de ventilacin en la

sala de compresores 1185.5 Caso especial: gran altitud 119

5.6 Caso especial: produccin intermitente 1205.7 Caso especial: recuperacin de

energa del agua de refrigeracin 121 5.7.1 Hipt esis 121 5.7.2 Clculo del caudal de agua en el

circuito de recuperacin de energa 122 5.7.3 Balance energtico a travs del intercambiador de calor 122 5.7.4 Resumen 1225.8 Caso especial: cada de presin

en la tubera 123

6 Apndices

6.1 El sistema internacional (SI) de unidades 126

6.2 Smbolos grficos 1286.3 Diagramas y tablas 1306.4 Recopilacin de las normas y

reglamentos aplicables 135 6.4.1 General 135 6.4.2 Normas 135 6.4.3 Recopilacin 135 6.4.3.1 Seguridad en mquinas 135 6.4.3.2 Seguridad en equipos a presin 135 6.4.3.3 Medioambiente 136 6.4.3.4 Seguridad elctrica 136 6.4.3.5 Aparatos mdicos general 136 6.4.3.6 Estandari zacin 136 6.4.3.7 Especificaciones y pruebas 136

Captulo 1Teora

Captulo 2Compresores yequipo auxiliar

Captulo 3Diseo y servicio de

las instalaciones decompresores

Captulo 4Economa

Captulo 5Ejemplo de clculo

Captulo 6Apndices


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1Teora


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modelo rgido (celosa) no puede evitar el movi-miento de las molculas, stas se sueltan y la sus-tancia se derrite, transformndose en un lquido. Siel lquido se calienta ms, se rompe por completoel enlace de las molculas y la sustancia lquida setransforma en un estado gaseoso que se expandeen todas las direcciones y se mezcla con los otrosgases del entorno.Cuando las molculas de gas se enfran, pierdenvelocidad y se vuelven a ligar unas con otras,producindose condensacin. No obstante, si lasmolculas de gas se calientan an ms, se descom-ponen en subpartculas individuales y forman unplasma de electrones y ncleos atmicos.

1.2 Unidades fsicas

1.2.1 PresinLa fuerza sobre un centmetro cuadrado de unacolumna de aire desde el nivel del mar hasta ellmite de la atmsfera, es de unos 10,13 N. Por lotanto, la presin atmosfrica absoluta a nivel delmar es aproximadamente 10,13 x 104N por metrocuadrado, que equivale a 10,13 x 104Pa (Pascal,la unidad de la presin del sistema internacional).Expresado en otra unidad de uso frecuente:1 bar = 1 x 105Pa. Cuanto mayor (o menor) sea laaltitud sobre el nivel del mar, menor (o mayor) serla presin atmosfrica.

1.2.2 TemperaturaLa temperatura de un gas resulta ms difcil dedefinir con claridad. La temperatura es una medi-da de la energa cintica en las molculas. Lasmolculas se mueven ms rpidamente cuantomayor sea la temperatura, y el movimiento cesapor completo a u na temperatu ra de cero absoluto.La escala Kelvin (K) se basa en este fenmeno; porlo dems, est graduada de la misma forma que laescala Celsius Celsius (C):

T = t + 273,2T = temperatura absoluta (K)t = temperatura Celsius (C)

1.2.3 Capacidad trmica

El calor es una forma de energa, representada porla energa cintica de las molculas desordenadasde una sustancia. La capacidad trmica (tambindenominada capacidad calorfica o entropa) de unobjeto se refiere a la cantidad de calor necesariapara producir un cambio de unidad de temperatura(1K), y se expresa en J/K.Se emplea ms habitualmente el calor especficoo entropa especfica de una sustancia, y se refie-re a la cantidad de calor necesaria para producirun cambio de unidad de temperatura (1K) en unamasa unitari a de sustancia (1 kg). El calor especfi-co se expresa en J/(kg x K). La capacidad calorfi-ca molar se expresa de forma similar, J/(mol x K).

El estado fsico de una sustancia cambia al aplicar o retirar energa trmica. Esta curva ilustra el efecto del agua pura.

1:3

recalentamiento

evaporacin a presin atmosfrica

(agua + vapor)

(agua)

(hielo)

el hielose funde

(vapor)

0 1000 2000 3000 kJ/kgCalor aadido

TemperaturaC

200

100

0-20

1.1 Fsica

1.1.1 La estructura de la materiaToda la materia, ya sea en forma gaseosa, lqui-da o slida, est compuesta de tomos. As pues,los tomos son los bloques constructivos bsi-cos de la materia, aunque casi siempre aparecencomo parte de una molcula. Una molcula es unnmero de tomos agrupados con otros tomosdel mismo o de distinto tipo. Los tomos tienenun ncleo denso, compuesto de protones y neutro-nes, alrededor del que giran los electrones. Existenotros bloques constructivos, pero no son estables.Todas estas partculas se caracterizan por cuatro

propiedades: su carga elctrica, su masa en reposo,su momento mecnico y su momento magntico.El nmero de protones en el ncleo es igual que elnmero atmico del tomo.El nmero total de protones y el nmero de neu-trones es aproximadamente igual que la masa totaldel tomo, ya que los electrones no aaden casi

ninguna masa. Esta informacin se puede encon-trar en la tabla peridica. La capa electrnica con-tiene tantos electrones como protones hay en elncleo. Esto significa que, en general, un tomo eselctricamente neutro.

El fsico dans Niels Bohr present un modelode tomo en 1913. Demostr que los tomos slopueden existir en un estado estaciona rio y con unadeterminada energa. Si el tomo se transforma deun estado energtico a otro, se emite un cuanto deradiacin. Esto se conoce como fotn. Estas dis-tintas transiciones se manifiestan en forma de luzcon diferentes longitudes de onda. En un espectr-grafo aparecen como lneas en el espectro linealdel tomo.

1.1.2 La molcula y los diferentesestados de la materiaLos tomos unidos por un enlace qumico se deno-minan molculas. Son tan diminutas que 1 mm 3deaire a presin atmosfrica contiene aprox. 2,55 x1016molculas.En principio, toda materia puede existir en cua-tro estados: el estado slido, el estado lquido, elestado gaseoso y el estado de plasma. En el estadoslido, las molculas se encuentran fuertementeligadas en forma de estructura reticular. A tempe-raturas por encima del cero absoluto se producecierto grado de movimiento molecular. En el esta-do slido, su movimiento es como una vibracinalrededor de una posicin de equilibrio, cuya velo-cidad aumenta con la temperatura. Cuando unasustancia en estado slido se calienta tanto que el

1:1

La capa electrnica confiere a los elementos sus propie-dades qumicas. El hidrgeno (arriba) tiene un electrnen una capa electrnica. El helio (centro) tiene dos elec-trones en una capa electrnica. El litio (abajo) tiene untercer electrn en una segunda capa.

Un cristal de sal, como la sal de mesa comn NaCl, tieneuna estructura cbica. Las lneas representan el enlaceentre los tomos de sodio (rojo) y de cloro (blanco).

+

_

+

+

__

_

_

_

+

+

_

+

+

neutrn

electrn

protn

1:2


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La explicacin de que cp sea mayor que c

V es el

trabajo de expansin que debe realizar el gas auna presin constante. La relacin entre cp y c

Vse

denomina el exponente isentrpico o exponenteadiabtico, , y est en funcin del nmero de to-mos en las molculas de la sustancia.

1.2.4 TrabajoEl trabajo mecnico se puede definir como el produc-to de una fuerza por la distancia en la que acta sobreun cuerpo. Exactamente igual que el calor, el trabajo

es energa que se transfiere de un cuerpo a otro. Ladiferencia es que se trata de fuerza en lugar de tem-

peratura.Un ejemplo es la compresin de un gas en un cilindromediante el desplazamiento de un pistn. La compre-sin se produce como resultado de la fuerza que mue-ve el pistn. De esta forma, la energa se transfiere del

pistn al gas encerrado. Esta transferencia de energaes trabajo en el sentido termodinmico de la palabra.El resultado del trabajo puede tener muchas formas,tales como cambios en la energa potencial, la ene rgacintica o la energa trmica.El trabajo mecnico asociado con los cambios devolumen de una mezcla de gases es uno de los proce-sos ms importantes de la termodinmica. La unidadSI del trabajo es el Julio: 1 J = 1 Nm = 1 Ws.

1.2.5 PotenciaLa potencia es el trabajo realizado por unidad de

tiempo. Es una medida de la rapidez con la que sepuede hacer un trabajo. La unidad SI de la potenciaes el vatio: 1 W = 1 J/s.Por ejemplo, la potencia o flujo energtico al eje deaccionamiento de un compresor es numricamen-te similar al calor emitido desde el sistema ms elcalor aplicado al gas comprimido.

1.2.6 Caudal volumtricoEl caudal volumtrico de un sistema es una medi-da del volumen del fluido que circula por unidadde tiempo. Puede calcularse como el producto delrea de la seccin transversal del caudal y la velo-cidad media del mismo. La unidad SI del caudal

volumtrico es m3/s.Sin embargo, tambin se emplea con frecuenciala unidad litros/segundos (l/s) para hacer refe-rencia al caudal volumtrico (tambin conocidocomo capacidad) del compresor. Se expresa o bienen Normales litros/segundo (Nl/s) o en aire libresuministrado (l/s).Con Nl/s, el caudal de aire se recalcula al esta-do normal, es decir, se elige convencionalmentecomo 1,013 bar(a) y 0C. La unidad Nl /s se empleaprincipalmente para especificar un flujo msico.Para el aire libre suministrado (FAD), el caudal desalida del compresor se recalcula como caudal volu-mtrico de aire libre a las condiciones estndar deentrada (presin de entrada 1 bar(a) y temperaturade entrada 20C). La relacin entre los dos cauda-

les volumtricos es (observe que la frmula sim-plificada siguiente no tiene en cuenta la humedad):

qFAD

= Aire libre suministrado (l/s)q

N = Caudal volumtrico normal (Nl/s)

TFAD

= Temperatura de entrada estndar (20C)TN = Temperatura de referencia normal (0C)

pFAD = Presin de entrada estndar (1,00 bar(a))pN = Presin de referencia normal (1,013 bar(a))

1.3 Termodinmica

1.3.1 PrincipiosLa energa existe en diversas formas, tales comotrmica, fsica, qumica, radiante (luz, etc.) y elc-trica. La termodinmica es el estudio de la energatrmica, es decir, la capacidad de producir u n cam-bio en un sistema o de realizar un tr abajo.La primera ley de la termodinmica enuncia elprincipio de conservacin d e la energa. Estableceque la energa ni se crea ni se destruye, de lo cualse deduce que la energa total en un sistema cerra-do se conserva siempre, es decir, permanece cons-tante y se limit a a cambiar de una forma a otra. As

cp = calor especfico a presin constantec

V = calor especfico a volumen constante

Cp = calor especfico molar a presin constante

CV = calor especfico molar a volumen constante

El calor especfico a presin constante es siempremayor que el calor especfico a volumen constante.El calor especfico de una sustancia no es un cons-tante, sino que aumenta, en general, a medida que

sube la temperatura.A efectos prcticos, se puede usar un valor medio.Para sustancias lquidas y slidas, c

pc

Vc. Para

calentar un flujo msico (m) desde una temperatu-ra t

1a t

2se necesitar:

P = poder calorfico (W)m = flujo msico (kg/s)c = calor especfico (J/kg x K)T = temperatura (K)

La mayora de los manmetros indican la diferencia que existe entre la presin de un depsito y la presin atmosfrica.Por tanto, para obtener la presin absoluta hay que sumar el valor de la presin atmosfrica.

1:4presin efectiva

presin efectiva

(presin manomtrica)

bar (g) = bar (e)

vaco bar (u)

presin

absoluta

bar (a)

presin

atmosfrica

local

(presin

baromtrica)

bar (a)

presin

absoluta

bar (a)

presin cero (vaco perfecto)

nivel variable

presin

atmosfricamormal (a)

Ilustracin de la relacin ent re las escalas Celsius y Kel-vin. Para la escala Celsius, el 0 se establece en el puntode congelacin del agua; para la escala Kelvin, el 0 seestablece en el cero absoluto.

1:5

el agua hierve

el agua se congela

cero absoluto

400

373350

300

273

250

200

150

100

50

0-273-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

KCo


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La conveccin es la transferencia de calor entreuna superficie slida caliente y el fluido adyacen-te estacionario o en movimiento (gas o lquido),acentuada por la mezcla de una parte del fluido conla otra. Puede ocurrir como conveccin libre, porel movimiento natural en un medio como resulta-do de las diferencias de densidad a causa de lasdiferencias de temperatura. Tambin puede tenerlugar como conveccin forzada, cuando el movi-miento del fluido se realiza por agentes mecnicos,por ejemplo, u n ventilador o una bomba. La con-veccin forzada produce una transferencia de calorsignificativamente mayor como resultado de unasvelocidades de mezcla ms elevadas.

Q = calor transferido (J)h = coeficiente de transf. trmica (W/m x K)A = rea de contacto (m)t = tiempo (s)T = diferencia de temperatura (fro calor) (K)

La radiacin es la transferencia de calor a travs deun espacio vaco. Todos los cuerpos con una tempe-ratura superior a 0 K emiten calor por radiacin elec-

tromagntica en todas las direcciones. Cuando losrayos calorficos golpean un cuerpo, una parte de laenerga se absorbe y se transforma para calentar esecuerpo. Los rayos que no se absorben pasan a travsdel cuerpo o son reflejados por ste.

En situaciones reales, la transmisin de calor es lasuma de la transferencia simultnea por conductivi-dad, conveccin y radiacin. El anunciado de la rela-cin de transmisin de calor es el siguiente:

Q = calor total transferido (J)k = coeficiente transf. trmica total (W/m x K)A = rea (m)

t = tiempo (s)T = diferencia de temperatura (fro calor) (K)

La transferencia de calor se produce a menudoentre dos cuerpos que estn separados por unapared. El coeficiente de transferencia trmica totalk depende del coeficiente de transferencia trmi-ca de ambos lados de la pared y del coeficiente deconductividad trmica de la propia pared.

Ilustracin del gradiente de temperatura en intercambiadores de calor de flujo a contracorriente y de flujo paralelo.

1:6

Superficie

Flujo a contracorriente Flujo a paralelo

Superficie

pues, el calor es una forma de energa que se puedegenerar del trabajo o transformarse en trabajo.La segunda ley establece que existe una tenden-cia en la naturaleza a evolucionar hacia un estadode mayor desorden molecular. La entropa es unamedida del desorden: los cristales slidos , la formade materia ms estructurada, tienen unos valoresde entropa muy bajos. Los gases, que estn muchoms desorganizados, tienen unos valores de entro-pa altos.La energa potencial de los sistemas de energa ais-lados que est disponible para realizar el trabajo,disminuye a medida que aumenta la entropa. Lasegunda ley de la termodinmica establece queel calor nunca puede transferirse por su propioesfuerzo de una zona a otra de mayor tempera-

tura.

1.3.2 Leyes de los gasesLa ley de Boyle establece que si la temperatura esconstante (isoterma), tambin ser constante el pro-ducto de la presin por el volumen. El enunciado es:

p = presin absoluta (Pa)V = volumen (m)

Esto significa que si el volumen se reduce a la mitaddurante la compresin, se doblar la presin, siempreque la temperatura permanezca constante.

La ley de Charles expresa que, a presin constante(isobara), el volumen de un gas vara en proporcindirecta al cambio de temperatura. El enunciado es:

V = volumen (m)T = temperatura absoluta (K)

La ley general del estado de los gases es una combi-nacin de la ley de Boyle y la ley de Charles. Indicacmo se relacionan entre s la presin, el volumen yla temperatura. El cambio de una de estas variablesafecta al menos a una de las otras dos.

Se puede expresar como:

p = presin absoluta (Pa)V = volumen especfico (m/kg)T = temperatura absoluta (K)

= constante gas individual (J/kg x K)

La constante de gas individual R depende nica-mente de las propiedades del gas. Si una masa mdel gas ocupa el volumen V, la relacin se puedeexpresar como:

p = presin absoluta (Pa)V = volumen (m)n = nmero de molesR = constante de gas universal = 8,314 (J/mol x K)T = temperatura absoluta (K)

1.3.3 Transferencia de calorCualquier diferencia de temperatura dentro de uncuerpo o entre distintos cuerpos o sistemas originauna transferencia de calor hasta que se alcanza unequilibrio trmico. Esta transferencia de calor pue-de tener lugar de tres formas: por conductividad,conveccin o radiacin. En situaciones reales, latransferencia de calor tiene lugar de forma simul-tnea, pero no por igual en las tres formas.La conductividad es la transferencia de calor porcontacto directo de las partculas. Tiene lugarentre cuerpos slidos o entre capas delgadas de unlquido o un gas. Los tomos que vibran transfie-ren una parte de su energa cintica a los tomosadyacentes que vibran menos.

Q = calor transferido (J) = coeficiente de conductividad trmica (W/m x K)A = rea de flujo trmico (m)t = tiempo (s)T = diferencia de temperatura (fro calor) (K)x = distancia (m)


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Un ejemplo de proceso isobrico a presin cons-tante consiste en calentar un gas en un cilindro conuna carga constante sobre el pistn.

Q = cant idad de calor (J)m = masa (kg)cp = calor especfico a presin constante (J/kg x K)T = temperatura absoluta (K)

1.3.4.3 Proceso isotrmico

1.3.4.4 Proceso isentrpico

El cambio isotrmico de estado significa que la presiny el volumen cambian mientras que la temperatura per-manece constante.

Cuando la entropa en un gas que est sido comprimidoo expandido es constante, no se produce intercambio decalor con el entorno.

1:9

1:10

p

p

V

12q = cantidad de calor cedido

p2

p1V1

2

1

V2

p

p

V

isentrpico

1

p2

p1

VV

2

2 1

Para comprimir isotrmicamente un gas en uncilindro, se debe eliminar gradualmente una can-tidad de calor igual que el trabajo aplicado. Peroesto es prcticamente imposible, ya que no puedeproducirse un proceso tan lento.

Q = cant idad de calor (J)m = masa (kg)R = constante de gas individual (J/kg x K)T = temperatura absoluta (K)V = volumen (m)

p = presin absoluta (Pa)

Existe un proceso isentrpico cuando un gas secomprime en un cilindro totalmente aislado sinningn intercambio de calor con el entorno. Tam-bin puede existir si un gas se expande a travs deuna tobera tan rpidamente que no hay tiempo deque se produzca intercambio de calor con el entor-no.

p = presin absoluta (Pa)V = volumen (m)T = temperatura absoluta (K)= C

p/ C

V= exponente isentrpico

1.3.4.5 Proceso politrpicoEl proceso isotrmico implica un intercambio decalor total con el entorno, mientras que el procesoisotrpico no implica ningn intercambio de calor.En realidad, todos los procesos se producen entreestos extremos: el proceso politrpico. La relacinde este proceso es:

p = presin absoluta (Pa)V = volumen (m)n = 0 para proceso isobricon = 1 para proceso isotrmicon = para proceso isentrpicon = para proceso isocrico

Para una pared limpia y plana, el enunciado es:

1,

2= coeficiente de transferencia trmica en

cada lado de la par ed (W/m x K)d = g rosor de la pared (m) = conductividad trmica de la pared (W/m x K)k = coeficiente transf. trmica total (W/m x K)

En un intercambiador de calor, la transmisin decalor est en funcin de la diferencia de tempe-ratura existente y del coeficiente de transferenciatrmica total. Es necesario usar una diferencia detemperatura media logartmica

men lugar de una

aritmtica lineal T.

La diferencia de temperatura media logartmica sedefine como la relacin entre las diferencias de tem-peratura e n los dos lados de conexin del inte rcam-biador de calor, de acuerdo con la expresin:

m= diferencia de temperatura media

logartmica (K)

1.3.4 Cambios de estadoEn un diagrama p/V se pueden seguir los cambiosde estado de un gas de un punto a otro. Para casosreales, se necesitan tres ejes para las variables p, Vy T. Con un cambio de estado, nos desplazamos alo largo de una curva tridimensional en la superfi-

cie del espacio p, V y T.No ob stante, para simplificar, consideramos nor-malmente la proyeccin de la curva en uno de lostres planos, por lo general, el plano p/V. Se puedenconsiderar cinco cambios de estado diferentes:- Proceso isocrico (volumen constante),- Proceso isobrico (presin constante),- Proceso isotrmico (temperatura constante),- Proceso isentrpico (sin intercambio de calorcon el entorno),- Proceso politrpico (intercambio de calor comple-

to con el entorno). El cambio isobrico de estado significa que el volumencambia mientras la presin permanece constante.

1:8

V

21

p

p

q12

V T1 1 V T2 2

= energa aplicada

1.3.4.1 Proceso isocrico

Un ejemplo de proceso isocrico a volumen cons-tante es calentar un gas en un contenedor cerrado.

Q = cantid ad de calor (J)m = masa (kg)c

V = calor especfico a volum. const. (J/kg x K)

T = temperatura absoluta (K)

1.3.4.2 Proceso isobrico

El cambio isocrico de estado significa que la presincambia mientras el volumen permanece constante.

1:7

1

2

q12

p

V

p T 22

p T1 1

V = V1 2

= energa aplicada

p

o

= constante


11/74

19


gases reales, este cambio de temperatura es per-manente aunque el contenido energtico del gaspermanezca constante. Esto s e denomina el efectode Joule-Thomson. El cambio de temperatura esigual que el cambio de presin a travs del restric-tor multiplicado por el coeficiente de Joule-Thom-son.Si el medio que fluye tiene una temperatura sufi-cientemente baja (+329C para el aire), se produ-ce una bajada de temperatura a travs del restric-tor, pero si el fluido es ms caliente, tiene lugaruna subida. Esta condicin se usa en varias apli-caciones tcnicas, por ejemplo, en la tecnologa derefrigeracin y en la separacin de gases.

1.4 Aire

1.4.1 El aire en generalEl aire es una mezcla incolora, inodora e inspidade gases, principalmente de oxgeno (21%) y nitr-

rar en sus elementos constituyentes, por ejemplo,mediante enfriamiento.El aire atmosfrico est siempre ms o menos con-taminado de partculas slidas, por ejemplo, pol-vo, arena, carbonilla y cristales salinos. El gradode contaminacin es mayor en las zonas habitadasy menor en el campo y a gran altitud.

1.4.2 Aire hmedoEl aire se puede considerar una mezcla de aire secoy vapor de agua. Cuando contiene vapor de agua,se denomina aire hmedo, aunque la humedad delaire puede variar en unos mrgenes muy amplios.Los extremos son el aire completamente seco yel aire completamente saturado. La cantidad devapor de agua mxima que el aire puede contener

aumenta con la temperatura. A cada temperaturacorresponde una cantidad de vapor de agua mxi-ma.El aire contiene normalmente bastante menosvapor de agua que el mximo posible. La humed adrelativa, expresada en porcentaje, indica el gradode saturacin del aire con vapor de agua para unatemperatura dada.El punto de roco es la temperatura a la cual el airese satura con vapor de agua. Posteriormente, si latemperatura desciende, se condensa el agua. Elpunto de roco atmosfrico es la temperatura a lacual el vapor de agua comienza a condensarse a lapresin atmosfrica. El punto de roco a presin esla temperatura equivalente con una presin supe-rior. Se aplica la frmula siguiente:

p = presin absoluta total (Pa)ps = presin saturacin a la temp. respectiva (Pa) = presin relativa de vaporV = volumen total del aire hmedo (m3)R

a = constante gas para aire seco = 287 J/kg x K

Rv = const. gas para vapor agua = 462 J/kg x K

ma = masa del aire seco (kg)

mv = masa del vapor de agua (kg)

T = temperatura absoluta del aire hmedo (K)

El aire es una mezcla de gases compuesta pri ncipalmen-te de oxgeno y nitrgeno. Slo alrededor del 1% corres-ponde a otros gases.

1:12

Otros 1%

Nitrgeno 78%

Oxgeno 21%

geno (78%). Esta composicin es relativamenteconstante desde el nivel del mar hasta una altitudde 25 km.El aire no es una sustancia qumica pura, sino unamezcla de gases. Por este motivo, se puede sepa-

1.3.5 Flujo de gas a travs de unatoberaEl flujo de gas a travs de una tobera depende dela relacin de presiones en los lados respectivosde la misma. Si se reduce la presin despus dela tobera, aumenta el flujo, pero slo hasta que supresin haya alcanzado la mitad de la presin antesde la tobera. Una reduccin adicional de la presindespus de la tobera no se traduce en un aumentodel flujo.Esta es la relacin de presiones crtica y dependedel exponente isentrpico () del gas concreto. Larelacin de presiones crtica tambin se producecuando la velocidad del flujo es igual que la velo-cidad snica en la seccin ms estrecha de unatobera.El flujo se convierte en supercrtico si la presindespus la tobera se reduce por debajo del valorcrtico. La frmula para el flujo a travs de la tobe-ra es:

Q = flujo msico (kg/s) = coeficiente de la tobera = coeficiente del flujoA = rea mnima (m)R = constante de gas individual (J/kg x K)T

1 = temperatura absoluta antes de la tobera (K)

p1 = presin absoluta antes de la tobera (Pa)

1.3.6 Caudal a travs de las tuberasEl nmero de Reynolds es una relacin adimen-

sional entre la inercia y el rozamiento en un medioque fluye. Se define como:

D = dimensin caracterstica

(por ejemplo, el dimetro de la t ubera) (m)w = velocidad media del flujo (m/s) = densidad del medio que fluye (kg/m) = viscosidad dinmica del medio (Pa . s)

En principio, hay dos tipos de flujo en una tube-ra.

Con Re


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21


Los tipos ms comunes de compresor divididos de acuerdo con sus principios de funcionamiento.

1:14

Eyector Radial Axial

Rotativo

Dinmico Desplazamiento

Compresores

Compresoresde pistn

Simple accin Doble accin Laberinto sellado Diafragma

Rotor nico Rotor doble

Tornillo Ua SoplantePaletas Anillo lquido Scroll

1.5 Tipos decompresores

1.5.1 Dos principios bsicosExisten dos principios genricos de compresin deaire (o gas): la compresin de desplazamiento posi-tivo y la compresin dinmica.Los compresores de desplazamiento positivo inclu-yen, entre otros, los alternativos (pistn), scroll ydiferentes tipos de compresores rotativos (tornillo,ua, paletas).En la compresin de desplazamiento positivo, elaire se aspira en una o varias cmaras de compre-

sin, donde queda confinado. El volumen de cadacmara disminuye gradualmente y el aire se com-prime inter namente. Cuando la presin alcanza larelacin de presiones establecida, se produce laapertura de una lumbrera o una vlvula y el airese descarga al sistema de salida debido a la reduc-cin continua del volumen en la cmara de com-presin.En la compresin dinmica, el aire se aspira entrelos labes de un rodete que gira con rapidez yacelera a gran velocidad. Despus se descarga atravs de un difusor, donde la energa cintica setransforma en presin esttica. La mayora de loscompresores dinmicos son turbocompresores conun patrn de flujo axial o radial. Todos estn dise-ados para grandes caudales volumtricos.

1.5.2 Compresores dedesplazamiento positivoUna bomba de bicicleta es la forma ms simple deun compresor de desplazamiento positivo, dondeel aire se aspira en un cilindro y se comprime pormedio de un pistn. El compresor de pistn tieneel mismo principio de funcionamiento y utiliza unpistn cuyo movimiento ascendente y descendentese realiza mediante una biela y un cigeal. Si seusa solamente un lado del pistn para la compre-sin, se denomina compresor de simple efecto. Sise usan los lados superior e inferior del pistn, sedenomina compresor de doble efecto.

La relacin de presiones es el coeficiente de lapresin absoluta en los lados de entrada y sali-

Compresor de pistn de una etapa y simple efecto.

1:13

da. De acuerdo con esto, una mquina que aspiraaire a presin atmosfrica (1 bar(a) y lo comprimea 7 bar, funciona a una relacin de presiones de(7 + 1)/1 = 8.

1.5.3 Diagrama de compresores dedesplazamientoLa figura 1:15 ilustra la relacin presin-volumenpara un compresor terico, y la figura 1:16 mues-tra un diagrama ms realista para un compresor depistn. El volumen de embolada es el volumen delcilindro que recorre el pistn durante la etapa deaspiracin. El volumen muerto se encuentra justodebajo de las vlvulas de entrada y salida y enci-ma del pistn, que debe permanecer en el punto deretorno de ste por razones mecnicas.La diferencia entre el volumen de embolada y elvolumen de aspiracin se debe a la expansin delaire que permanece en el volumen muerto. La dife-rencia entre el diagrama p/V terico y el diagra-ma real se debe al diseo prctico de la unidad,por ejemplo, un compresor de pistn. Las vlvu-las nunca estn completamente selladas y existensiempre ciertas fugas entre el pistn y la pared delcilindro. Adems, las vlvulas siempre abren ycierran completamente con un retardo mnimo, locual provoca una cada de presin cuando el gas


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23


En comparacin con los compresores de despla-zamiento, los compresores dinmicos se caracte-rizan porque un cambio pequeo en la presin detrabajo produce un gran efecto en el caudal. Vea lafigura 1:19.La velocidad de cada rodete tiene un lmite de cau-dal superior e inferior. El lmite superior significaque el flujo de gas alcanza la velocidad snica. Ellmite inferior significa que la contrapresin esmayor que la presin generada por el compresor,lo cual produce un flujo de retorno en la mquina.A su vez, esto genera pulsaciones, ruido y riesgode avera mecnica.

1.5.5 Compresin en varias etapasEn teora, el aire o el gas se pueden comprimir

isentrpicamente (a entropa constante) o isotr-micamente (a temperatura constante). Cualquierade los procesos puede ser parte de un ciclo terica-mente reversible. Si el gas comprimido se pudieseusar inmediatamente despus de la compresin, elproceso de compresin isentrpica tendra ciertasventajas. En la realidad, el aire o el gas se utilizanrara vez directamente despus de la compresin,y se enfran normalmente a temperatura ambienteantes de su uso. Como consecuencia, es preferi-ble el proceso de compresin i sotrmica, ya q uerequiere menos trabajo.Un mtodo habitual prctico para ejecutar este pro-ceso de compresin isotrmica consiste en enfriarel gas durante su compresin. A una presin de

trabajo efectiva de 7 bar, la compresin isentrpicarequiere en teora un 37% ms de energa que lacompresin isotrmica.Un mtodo prctico para reducir el calentamientodel gas consiste en dividir la compresin en variasetapas. El gas se enfra despus de cada etapaantes de volver a comprimirse a la presin final.Esto tambin hace que mejore la eficiencia ener-gtica, obtenindose el mejor resultado cuandocada etapa de compresin tiene la misma relacinde presiones. Aumentando el nmero de etapasde compresin, el proceso completo se aproximaa la compresin isotrmica. Sin embargo, existeun lmite econmico respecto al nmero de etapasque puede tener un compresor.

1.5.6 Comparacin: turbocompresory desplazamiento positivoA velocidad de rotacin constante, la curva pre-sin/caudal de un turbocompresor difiere significa-tivamente de la curva equivalente de u n compresorde desplazamiento positivo. El turbocompresor esuna mquina de caudal variable y presin variable.Por el contrario, un compresor de desplazamien-to es una mquina de caudal constante y presinvariable.Un compresor de desplazamiento proporciona unarelacin de presiones ms alta incluso a baja velo-cidad. Los turbocompresores estn diseados paragrandes caudales de aire.

1:19

Compresorcentrfugo

Compresor dedesplazamiento

Caudal

Prsin

La imagen ilustra las curvas de carga de compresorescentrfugos y de desplazamiento, respectivamente,cuando la carga cambia a velocidad constante.

La zona coloreada representa la cantidad de energaahorrada con la compresin en dos etapas.

1:18

Compresin isotrpica

Ahorro de energa conla compresin en 2

Etapa1

Etapa2

p

v

Compresin isotrmica

fluye a travs de los canales. Como consecuenciade este diseo, el gas tambin se calienta cuandofluye al interior del cilindro.

Trabajo de compresin con compresinisotrmica:

Trabajo con compresin isentrpica:

W = trabajo de compresin (J)p

1 = presin inicial (Pa)

V1 = volumen inicial (m3)

p2 = presin final (Pa) = exponente isentrpico:1,3 1,4

Estas relaciones indican que se necesita ms traba-jo para la compresin isentrpica que para la com-presin isotrmica.

1.5.4 Compresores dinmicosEn un compresor dinmico, el aumento de presintiene lugar mientras el gas fluye. Los labes de unrodete giratorio aceleran el gas que fluye a granvelocidad. Despus, la velocidad del gas se trans-forma en presin esttica cuando se ve obligado adesacelerar en la expansin en un difusor. Depen-diendo de la direccin principal del flujo del gasutilizado, se denominaran compresores radiales oaxiales.

Turbocompresor radial.

1:17

Difusor

Entrada

El grfico ilustra el principio de funcionamiento de uncompresor de pistn. El diagrama p/V muestra el pro-ceso sin prdidas, con llenado y vaciado completo delcilindro.

Un diagrama p/V realista de un compresor de pistn.La cada de presin en la entrada y la sobrepresin enla salida se reducen principalmente mediante un diseoeficiente de las vlvulas.

1:15

1:16

Volumen de aspiracin

Volumen de la carrera

Volumen

Volumenmuerto

Presin

3 2

14

Compresin

Descarga

Reduccinpresin

Suction

Presin

Volumen


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je, y una cada de tensin induct iva. La resistenciaofrecida a la corriente alterna es aparentementemayor que la calculada o medida con corrientecontinua.El desfase entre la intensidad y el voltaje estrepresentado por el ngulo . La resistencia induc-tiva (reactancia) est representada por X. La resis-tencia est representada por R. La resistencia apa-rente en una unidad o conductor est representadapor Z.

Z= R + X

Z = impedancia () (Ohm)R = resistencia ()X = reactancia ()

Ley de Ohm para corriente alterna:

U = tensin (V)I = inten sidad (A)Z = impedancia ()

1.6.3 Sistema trifsicoLa potencia de una fase de corriente alterna fluc-ta. Para el uso domstico, esto no representaningn problema. Sin embargo, para los motoreselctricos es recomendable usar una corriente queproduzca una potencia ms constante. Esto se con-sigue utilizando tres lneas de alimentacin sepa-radas con corriente alterna, funcionando en para-lelo, pero con cada fase de corriente desplazada

1/3 de ciclo en relacin a las otras fases.La corriente alterna trifsica se produce en unalternador con tres devanados diferentes. Unaaplicacin monofsica se puede conectar entre lafase y cero. Las aplicaciones trifsicas se puedenconectar utilizando las tres fases de dos formas,en configuracin de estrella (Y) o de tringulo ().Con la conexin en estrella se aplican tensiones defase entre el neutro y la fase. Con una conexinen tringulo, se aplican tensiones entre fases al nousar el neutro.Los compresores industriales fueron de las pri-meras mquinas industriales donde se instalaronaccionamientos de velocidad variable (VSD) pararegular la velocidad de rotacin y el par de losmotores de induccin CA, controlando la frecuen-cia de las lneas elctricas al motor. El diseo mscomn convierte las tres fases de la potencia deentrada de CA en potencia de CC, usando un puen-

te rectificador. Esta potencia de CC se convierteen potencia de CA quasi-sinusoidal utilizando uncircuito de conmutacin del inversor (en la actuali -dad interruptores semiconductores de potencia deltipo IGBT) y tcnicas de modulacin por ancho depulso (MAP).

1.6.4 PotenciaLa potencia activa P (en vatios) es la potencia tilque se puede emplear para trabajo. Un vatmetroslo mide el componente de la intensidad que esten fase con la tensin. Esta es la corriente que fluyeen el circuito a travs de la resistencia.La potencia reactiva Q (V.Ar) es la potencia

Las diferentes opciones de conexin de un sistema trifsico. La tensin entre los dos conductores de fase se denominatensin principal (U

h). La tensin entre un conductor de fase y el cable neutro se denomina tensin de fase (U

f). La tensin

de fase = Tensin principal/3.

1:22

Fase 1

Fase 2

Fase 3

0 Neutro

Monofase

Trifase Trifase

1.6 Electricidad

1.6.1 Terminologa bsica ydefinicionesLa electricidad es el resultado de la separacintemporal de los electrones y los protones, que creauna diferencia de potencial elctrico (o voltaje)entre el rea con exceso de electron es y el rea condeficiencia de electrones. Cuando los electronesencuentran una trayectoria elctricamente con-ductiva por donde moverse, la corriente elctricafluye.Las primeras aplicaciones elctricas utilizaron lacorriente continua (CC), donde la carga elctricadel flujo de electrones es unidireccional. La CC se

produce por bat eras, clulas solares fotovoltaicasy generadores.La corriente alterna, generada por un alternador,se utiliza, por ejemplo, para alumbrado y paraaccionar motores estndar de velocidad fija. Cam-bia peridicamente de magnitud y d ireccin en unpatrn sinusoidal suave. La magnitud de la ten-sin y de la intensidad aumenta de cero a un valormximo, despus cae a cero, cambia de direccin,aumenta a un valor mximo en la direccin opues-ta y disminuye de nuevo a cero. La corriente hacompletado entonces un periodo T, medido ensegundos, durante el cual ha pasado por todos susvalores. La frecuencia, que es la inversa del pero-do, establece el nmero de ciclos completados porsegundo, y se mide en Hertzios.

f = frecuencia (Hz)T = du racin de un ciclo (s)

Las magnitudes de la intensidad o del voltaje seindican normalmente por el valor cuadrticomedio (VCM) de un ciclo. Con un patrn sinusoi-dal, la relacin para el valor cuadrtico medio de laintensidad y del voltaje es:

valor picovalor cuadrtico medio = 2

Las formas de onda peridicas pero no sinusoidalesde la intensidad y del voltaje no se consideran unaforma de onda sinusoidal pura. Algunos ejemplosson las formas de onda cuadradas, triangulareso rectangulares. A menudo derivan de funcionesmatemticas y pueden representarse por una com-binacin de ondas si nusoidales pu ras de distintasfrecuencias, a veces mltiplos de la frecuencia msbaja (denominada la fundamental).

intensidad: i(t) = I0+ i

1(t) + i

2(t) + + i

n(t) +

voltaje: v(t) = V0+ v1(t) + v2(t) + + vn(t) +

1.6.2 Ley de Ohm para corrientealternaUna corriente alterna que pasa por una bobina dalugar a un flujo magntico. Este flujo cambia demagnitud y de direccin de la misma forma quela corriente elctrica. Cuando el flujo cambia, segenera una fuerza electromotriz en la bobina deacuerdo con las leyes de la induccin. Esta fuerzaelectromotriz se opone al voltaje del polo que lagenera. Este fenmeno se llama autoinduccin.La autoinduccin en una red de corriente alterna

da lugar a un desfase entre la intensidad y el volta-

1:20

Un perodo de u n voltaje sinusoidal (50 Hz).

Tiempo = 1perodo = 1/50 seg

Voltaje

Valorcuadrticomedio

Valorcuadrticomedio

ValorPico

325 V

230

0

230

325 V

ValorPico

1:21

Relacin entre Reactancia (X) Resistencia (R) Impe-dancia (Z) Desfase ().


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1.6.5 El motor elctricoEl motor elctrico ms comn es el de induccintrifsico de jaula de ardilla. Este tipo de motor seusa en todo tipo de industrias. Silencioso y fiable,forma parte de la mayora de los sistemas, inclui-dos los compresores. El motor elctrico constade dos piezas principales, el esttor y el rotor. Elesttor produce un campo magntico giratorio yel rotor convierte esta energa en movimiento, esdecir, en energa mecnica.El esttor se conecta al suministro elctrico tri-fsico. La corriente en los devanados del esttorproduce u n campo giratorio de fu erza magnt icaque induce corrientes en el rotor, haciendo que seproduzca un campo magntico tambin all. Lainteraccin entre los campos magnticos del est-tor y del rotor crea un par de giro que, a su vez,hace girar el eje del rotor.

1.6.5.1 Velocidad de rotacinSi el eje del motor de induccin girase a la mismavelocidad que el campo magntico, la corrienteinducida en el rotor sera cero. Sin embargo, esto esimposible debido a las diversas prdidas, por ejem-plo, en los rodam ientos, y la velocidad es siempreun 1-5% menor que la velocidad sncrona del cam-po magntico (denominado deslizamiento).(Los motores de imn permanente no producenningn deslizamiento).

n = velocidad sncrona (rev/min)f = frecuencia de alimentacin del motor (Hz)

p = nmero de polos por fase (nmero par)

1.6.5.2 EficienciaEn un motor, la conversin de energa se producesiempre con prdidas. Estas incluyen, entre otras,las prdidas resistivas, prdidas por ventilacin,prdidas de magnetizacin y prdidas por roza-miento.

= eficienciaP2 = potencia indicada, potencia al eje (W)P1 = p otencia elctrica aplicada (W)

P2 es siempre la potencia indicada en la placa dedatos del motor.

1.6.5.3 Clase de aislamientoEl material aislante de los devanados del motorse divide en clases de aislamiento de acuerdo conla IEC 60085, un norma publicada por la Comi-sin Electrotcnica Internacional. Cada clase estdesignada por una letra que corresponde a la tem-peratura lmite superior de la respectiva clase deaislamiento.Si se sobrepasa el lmite superior en 10C duranteun perodo de tiempo ininterrumpido, la vida deservicio del aislamiento se acorta a la mitad.

Clase de aislamiento B F H

Mx. temp. bobinados C 130 155 180

Temperatura ambienteC 40 40 40

Au mento de temper at ura C 80 105 125

Margen trmico C 10 10 15

1.6.5.4 Clases de proteccinLas clases de proteccin, segn IEC 60034-5,especifican el grado en que el motor est protegidode influencias externas. Se expresan con las letrasIP y dos dgitos. El primer dgito indica la protec-cin contra contacto y penetracin por un objetoslido. El segundo indica la proteccin contra elagua. Por ejemplo, IP23 representa: (2) proteccincontra objetos slidos mayores de 12 mm, (3) pro-teccin contra salpicaduras directas de agua conuna inclinacin de hasta 60 de la vertical. IP 54:(5) proteccin contra el polvo, (4) proteccin con-

tra salpicaduras de agua en todas las direcciones.IP 55: (5) proteccin contra el polvo, (5) proteccincontra chorros de agua a baja presin desde todaslas direcciones.

1.6.5.5 Mtodos de refrigeracinEl mtodo de refrigeracin indica, segn IEC60034-6, la forma en que se enfra el motor. Sedesigna con las letras IC, seguido de una serie dedgitos que representan el t ipo de refrigeracin (sinventilacin, autoventilado, refrigeracin forzada)y el modo de enfriamiento (refrigeracin interna,refrigeracin de superficie, refrigeracin en circui-to cerrado, refrigeracin con lquido, etc).1.6.5.6Mtodo de instalacin

inservible, desfasada o fantasma y no sepuede usar par a trabajo. Sin embargo, es til p araproporcionar el campo magnetizante necesariopara el motor.

La potencia aparente S (V.A) es aquella que se debeconsumir de la red para tener acceso a la potenciaactiva. Incluye la potencia activa y reactiva y cual-quier prdida de calor del sistema de distribucinelctrica.

U = tensin (V)I = intensidad (A) = ngulo de fase

La potencia activa para configuraciones trifsicasen estrella y tringulo es:

La relacin entre potencia activa, reactiva y apa-

rente se ilustra normalmente mediante un tringu-lo. El ngulo de fase expresa el grado de desfa-se entre la intensidad y la tensin. Una cantidadconocida como el Factor de potencia (FP) es iguala cos .Muchas compaas elctricas aplican una penali-zacin a sus clientes por aplicaciones con un factorde potencia bajo y retrasado. Esto se debe a que losequipos elctricos de distribucin, transmisin ygeneracin deben estar considerablemente sobre-dimensionados para acomodar la potencia aparen-te (suma de la potencia activa y reactiva y de lasprdidas por calor), mientras que a los consumido-res se les factura segn el consumo de kWh, regis-trando slo la potencia activa.Las mejoras del factor de potencia producen con

frecuencia importantes ahorros de costes. El FP sepuede mejorar reduciendo la potencia reactiva dela forma siguiente:- Usando equipos con un alto FP: fluorescentes- Usando motores sncronos con un FP adelantadoy con carga constante- Usando condensadores de mejora del FP

El desplazamiento entre los devanados del alternador producen una curva de tensin sinusoidal en el sistema. El valormximo se desplaza al mismo intervalo que los devanados del alternador.

1:24

Voltaje

Tiempo

1:23

Relacin entre potencia aparente (S), potencia reactiva(Q) y potencia activa (P). El ngulo entre S y P da elfactor de potencia cos().

S

P

Q

j


16/74

29


Ilustracin de los devanados de un motor conectado en estrella, y cmo se sitan las regletas en el terminal del motorconectado en estrella. El ejemplo indica la conexin para una alimentacin de 690 V.

1:25

Uf

If

400V

400V

400V

Devanados del m otor

L1

L2

L3

V2V1

W1

W2

U1

U2

690V

690V

690V

W2 U2 V2

U1 V1 W1

L1 L2 L3

Conexin en tringulo

Terminal del motor

Uf

Uf

Ilustracin de los devanados de un motor conectado en de tri ngulo, y cmo se sitan las regletas en el terminal del motorconectado en tringulo. El ejemplo indica la conexin para una alimentacin de 400 V.

1:26

Uh

If

400V

Devanados del motor

V V

400V

400V

400V

400V

W U V

U V W

L L L

Conexin en tringulo

Terminal del motor

400V

If

1 2

Ih

Uh

Uh

2 2 2

21 3

L1

L3

1 1 1W

2

W1

U1

U2

L2

El suministro elctrico se conecta a los terminales delmotor trifsico marcados como U, V y W. La secuen-

cia de fases es L1, L2 y L3. Esto signi fica que el motorgirar en el sentido de las agujas del reloj, visto desde ellado de accionamiento "D". Para hacer que el motor gireen sentido contrario a las agujas del reloj, se cambiandos de los tres conductores conectados al arrancador oal motor. Cuando el rotor gire en sentido antihorario, sedebe comprobar el sentido de rotacin del ventilador.

La curva de par de un motor de induccin de jaula deardilla. Cuando el motor arranca, el par es alto.M

st = par de arranque, M

mx= par mx. (par de cor-

te), Mmn

= par mn. (par de silla de montar), Mn=

par nominal.

Curva de par de un motor de induccin arrancado enestrella/tringulo, combinada con la curva de demandade par de un compresor de tornillo. El compresor fun-ciona en descarga durante la fase en estrella. Cuando lasrevoluciones alcanzan aproximadamente el 90-95% dela velocidad nominal, el motor conmuta a tringulo, elpar aumenta, el compresor entra en car ga y funciona ensu punto previsto.

1:27

1:28

1:29

Par

Mst Mmin Mmax

Mn

rpm

Par

Conmutador estrella -

Curva de par

Curva de par

Compresor en carga

Compresor en descarga

Tiempo

1.6.5.8 ParEl par de giro de un motor elctrico est determi-nado por las caractersticas del rotor. Cada motortiene un par mximo. Una carga que exija un parsuperior provocar que el motor no tenga fuerzasuficiente para girar. Con una carga normal, elmotor funciona siempre por debajo de su par mxi-mo, aunque la secuencia de arranque implica unacarga extra. Las caractersticas del motor se pre-sentan normalmente en una curva de par.

aspecto de una estrella (Y).En los devanados habr una tensin de fase =tensin de lnea/3 (ejemplo 400V = 690/3). Lacorriente I

lneaque fluye hacia el punto cero se con-

vierte en corriente de fase, luego Ilnea

= Ifase

.

Con la conexin en tringulo () los principios ylos finales de las diferentes fases se unen y formanun tringulo (). La tensin de lnea es aplicadapor tanto a los devanados, p or lo que V

lnea= V

fase.

La corriente de lnea Ilnea

se divide entre los deva-nados, para dar una corriente de fase I

lnea= I

fase/3.

El mismo motor se puede conectar en estrella a

690 V o en tringulo a 400 V. En ambos casos, latensin a travs de los devanados ser de 400 V. Lacorriente al motor ser menor con una conexin enestrella de 690 V que con una conexin en trin-gulo de 400 V. La relacin entre ambas corrienteses 3.

La placa del motor puede indicar, por ejemplo,690/400 V. Esto significa que el motor se puedeconectar en estrella a la tensin ms alta, y entringulo a la ms baja. La intensidad, que tambinpuede figurar en la placa, indica el valor ms bajopara la conexin en estrella y el ms alto para laconexin en tringulo.

1.6.5.7 Conexiones en estrella y tringuloUn motor elctrico trifsico se puede conectar dedos formas: en estrella (Y) o en tringulo (). Lastres fases del motor trifsico se designan como U,V y W (U1-U2; V1-V2; W1-W2). Las normas delos Estados Unidos hacen referencia a T1, T2, T3,T4, T5, T6. Con la conexin en estrella (Y), losfinales de las fases de los devanados del motorse unen y forman un punto central, que tiene el

1.6.5.6 Mtodo de instalacinEl mtodo de instalacin indica, segn IEC 60034-7, la forma en que se debe instalar el motor. Sedesigna con las letras IM y cuatro dgitos. Porejemplo, IM 1001 significa: dos rodamientos, ejecon un extremo libre y esttor con patas. IM 3001:dos rodamientos, eje con un extremo libre, cuerpodel esttor sin patas y una brida grande con orifi-cios de fijacin planos.


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2 Compresores y equipoauxiliar


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33


Compresor de pistn con un sistema de vlvula consis-tente en dos discos de acero inoxidable.

Cuando el pistn se desplaza hacia abajo y aspira aire alinterior del cilindro, el disco ms grande se dobla haciaabajo y permite el paso del aire.

Cuando el pistn asciende, el disco grande se doblahacia arriba y sella contra el asiento. El disco pequeoflexible permite entonces que el aire comprimido pase atravs del orificio del asiento de vlvula.

Compresor de pistn de laberinto sellado, doble efecto,exento de aceite con cruceta.

2:2 2:3

1

2

3

4

5

6

1. Cruceta

2. Rodamiento gua

3. Rascador de aceite

4. Anillo de estanqueidad

5. Presaestopas

6. Disco de vlvula

2.1 Compresores dedesplazamiento

2.1.1 Compresores de desplazamientoUn compresor de desplazamiento encierra un volu-men de gas o aire y despus incrementa la presinreduciendo dicho volumen mediante el desplaza-miento de uno o ms miembros en movimiento.

2.1.2 Compresores de pistnEl compresor de pistn es el ms antiguo y comnde todos los compresores industriales. Est disponi-ble en variantes de simple o doble efecto, lubricadoo exento de aceite y con diversos nmeros de cilin-dros en diferentes configuraciones. Con la excep-cin de algunos compresores muy pequeos concilindros verticales, la configuracin en V es la mshabitual en compresores de pequeo tamao.En los compresores grandes de doble efecto, la con-figuracin en L con cilindro vertical de baja presin

y con cilindro horizontal de alta presin, ofreceunas ventajas inmensas qu e lo han convertido en eldiseo ms corriente. Los compresores lubricadoscon aceite funcionan normalmente con lubricacinpor salpicadura o lubricacin a presin. La mayo-ra de los compresores tienen vlvulas autoaccio-nadas. Una vlvula autoaccionada abre y cierrapor el efecto de las diferencias de presin en amboslados del disco.

2.1.3 Compresores de pistn exentosde aceiteLos compresores de pistn exentos de aceite tienensegmentos de PTFE o carbn. Alternativamente,el pistn y la pared del cilindro pueden estar per-filados (dentados) como en los compresores delaberinto. Las mquinas de mayor tamao estnequipadas con una cruceta y retenes en los bulonesy una pieza intermedia ventilada para evitar queel aceite se transfiera del crter a la cmara decompresin. Los compresores pequeos tienen amenudo un crter con rodamientos sellados de porvida.

Compresor de pistn.

2:1

e stn


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La compresin en un compresor de tornillo. Figura 1: el aire llena el espacio entre los rotores, Fig. 2-4: el espacio ence-rrado disminuye gradualmente y la presin aumenta.

Elemento y accionamiento de un compresor de tornillo lubricado con aceite.

2:5

2:6

2.1.4 Compresor de diafragmaLos compresores de diafragma forman otro grupo.Su diafragma se acciona mecnica o hidrulica-mente. Los compresores de diafragma mecnico seemplean para pequeos caudales y bajas presioneso como bombas de vaco. Los compresores de dia-fragma hidrulico se usan para aplicaciones de altapresin.

2.1.5 Compresores de tornilloEl principio de compresin de un compresor de des-plazamiento rotativo en forma de tornillo se desa-rroll durante la dcada de 1930, cuando surgi lanecesidad de un compresor rotativo que ofreciera uncaudal elevado y estable en condiciones de presin

variables.Las piezas principales del elemento de tornillo sonlos rotores macho y hembra, que giran en direccionesopuestas mientras disminuye el volumen entre ellosy la carcasa. Cada elemento de tornillo tiene unarelacin de presiones integrada fija que depende desu longitud, del paso del tornillo y de la forma de lalumbrera de descarga. Para lograr la mxima eficien-cia, la relacin de presiones integrada se debe adaptara la presin de trabajo requerida.El compresor de tornillo no est equipado general-mente con vlvulas y no tiene fuerzas mecnicasque ocasionen desequilibrio. Esto significa que pue-de funcionar con una alta velocidad del eje y puedecombinar un gran caudal con unas pequeas dimen-siones exteriores. La fuerza axial, que depende de la

diferencia de presin entre la entrada y la salida, debeser absorbida por los rodamientos.

2.1.5.1 Compresores de tornillo exentos deaceiteLos primeros compresores de tornillo tenan unperfil simtrico y no usaban ningn lquido derefrigeracin en la cmara de compresin. Pasa-ron a llamarse compresores de tornillo exentos deaceite o secos. Los modernos compresores de tor-nillo exentos de aceite de alta velocidad tienen per-files asimtricos, lo que mejora sensiblemente laeficiencia energtica merced a la reduccin de lasfugas internas. Se emplean frecuentemente engra-najes externos para sincronizar la posicin de los

rotores que giran en sentido contrario. Como losrotores no hacen contacto entre s ni con la carcasa,no se necesita lubricacin dentro de la cmara decompresin. Por consiguiente, el aire comprimidoest completamente libre de aceite. Los rotores y lacarcasa se fabrican con gran precisin para mini-mizar las fugas desde el lado de presin al lado deaspiracin. La relacin de presiones integrada estlimitada por la diferencia de temperatura entre laaspiracin y la descarga. Este es el motivo por elque los compresores de tornillo exentos de acei-te se fabrican frecuentemente con varias etapas yrefrigeracin intermedia para lograr mayores pre-siones.

Compresor de diafragma mecnico, en el que un cigeal convencional trans fiere el movimiento alternativo a travs deuna biela al diafragma.

2:4

Diafragma

Biela

Volante

Eje

Leva

Contrapeso

Embrague


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2.1.5.2 Compresores de tornillo coninyeccin de lquidoEn los compresores de tornillo con inyeccin delquido, se inyecta un lquido en la cmara decompresin y a veces en los rodamientos del com-presor. Su fu ncin es en friar y lubricar las piezasmviles del elemento compresor, enfriar el aire quese comprime internamente y reducir las fugas deretorno a la aspiracin. En la actualidad, el aceitees el lquido ms habitual debido a sus buenas pro-piedades de lubricacin y sellado, aunque tambinse emplean otros lquidos, como agua o polmeros.Es posible fabricar elementos compresores de tor-nillo con inyeccin de lquido para una alta rela-cin de presiones, siendo suficiente normalmenteuna etapa de compresin para presiones de hasta

14 bar, e incluso 17 bar, aunque a costa de reducirla eficiencia energtica.

2.1.6 Compresores de uaEl elemento de compresin de un compresor de uaconsta de dos rotores que giran en sentido contrarioen una cmara de compresin.El proceso de compresin se divide en aspiracin,compresin e impulsin. Durante la fase de aspi-racin, el aire penetra en la cmara de compresinhasta que los rotores bloquean la entrada. Durante lafase de compresin, el aire aspirado se comprime enla cmara, que se reduce cad a vez ms a medida quegiran los rotores.Durante la compresin, la lumbrera de salida est

bloqueada por uno de los rotores, mientras que laentrada permanece abierta para aspirar aire nuevoen la seccin opuesta de la cmara de compresin.La descarga tiene lugar cuando uno de los rotoresabre la lumbrera de salida y el aire comprimido se

expulsa de la cmara de compresin.

Diagrama de flujo de un compresor de tornillo con inyeccin de aceite.

Diagrama de flujo de un compresor de tornillo exento de aceite.

2:9

2:10

Un moderno compresor de tornillo lubricado con aceite y con accionamiento integrado.

2:7

Etapa de un compresor de torni llo exento de aceite, con la carcasa del rotor refr igerada por agua, ret enes de aire y retenesde aceite en ambos extremos, y un juego de engranajes de sincronismo para mantener las ajustadas holguras del rotor.

2:8:8

Filtro deaspiracin

de aire

Vlvula de aspiracinVlvula de presin mnima

Deposito seperadorde aceite

Separador de aguacon purgador

Refrigerador posterior

Refrigerador de aceite

Vlvula dederivacintermosttica

Elementocompresor

Filtro de aspiracin

Vlvula de aspiracin

Refrigerador intermedio

Separador de humedad Separador de humedad

Vlvula antirretorno

Refrigerador posterior

Elemento compresor

Elemento compresor


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39


Seccin transversal de un compresor scroll.

Principio de compresin de un compresor scroll.

2:13

2:14

Ambos rotores se sincronizan por medio de unjuego de ruedas dentadas. La relacin de presionesmxima que se puede obtener con un compresor deua exento de aceite est limitada por la diferenciade temperatura entre la aspiracin y la descarga.Por consiguiente, para presiones ms altas se nece-sitan varias etapas con refrigeracin intermedia.

2.1.7 Compresores scrollEl scroll es un tipo de compresor normalmenteexento de aceite con desplazamiento orbital, es

decir, comprime una cantidad especfica de aire enun volumen cada vez ms pequeo. El elementocompresor se compone de una espiral fija en unacarcasa y una espiral mvil excntrica accionadapor motor. Las espirales se montan con un desfasede 180 para formar bolsas de aire con u n volumenque vara gradualmente.Esto aporta estabilidad radial a los elementosscroll. Las fugas se reducen al mnimo ya que ladiferencia de presin en las bolsas de aire es menorque la diferencia de presin entre la entrada y lasalida.La espiral mvil es accionada por un cigeal decarrera corta y se mueve excntricamente alrede-

dor del centro de la espiralfi

ja. La aspiracin est situada en la parte superior de la carcasa del ele-mento.Cuando la espiral mvil se mueve, se aspira aireque queda atrapado en una de las bolsas; all secomprime gradualmente hacia el centro, dondeestn situadas la salida y una vlvula antirretorno.El ciclo de compresin contina durante 2,5 vuel-tas, lo cual proporciona un flujo de aire prctica-mente constante y sin pulsaciones. El proceso esrelativamente silencioso y sin vibraciones, ya queel elemento apenas tiene variacin de par compa-rado, por ejemplo, con un compresor de pistn.

Principio de compresin del compresor de doble ua.

Juego de rotores de un compresor de doble ua.

2:11

2:12

Lumbreras de entrada

Fin de la fase de aspiracin Inicio de la fase de aspiracinInicio del transporteInicio del suministro

Lumbreras de entradaTransporteSuministro

CompresinFin del suministro

Fin de la compresin

Rotor macho

Lumbreras de salida

Rotor hembra


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2.2 Compresoresdinmicos

2.2.1 Compresores dinmicos engeneralLos compresores dinmicos estn disponibles endiseo axial y radial. Se les suele llamar normal-mente turbocompresores. Los que tienen diseoradial se denominan compresores centrfugos.Los compresores dinmicos funcionan a presinconstante, a diferencia, por ejemplo, de los com-presores de desplazamiento, que funcionan con uncaudal constante. El rendimiento de un compresor

dinmico se ve afectado por las condiciones exter-nas. Por ejemplo, un cambio en la temperatura deentrada tiene como consecuencia un cambio de lacapacidad.

2.2.2 Compresores centrfugosUn compresor centrfugo se caracteriza por su flu-jo de descarga radial. El aire entra por el centro deun rodete dotado de labes radiales y es impulsado

hacia su permetro por las fuerzas centrfugas. Elmovimiento radial del aire genera, simultnea-mente, un aumento de la presin y energa cin-tica. Antes de ser dirigido al centro del rodete dela siguiente etapa de compresin, el aire pasa porun difusor y una voluta o carcasa espiral donde laenerga cintica se convierte en presin.Cada etapa asume una parte del aumento global dela presin del compresor. En la maquinaria indus-trial, la relacin de presiones mxima de una etapade compresor centrfugo no suele ser mayor de 3.Unas relaciones de presin ms elevadas reducenla eficiencia de la etapa. Las unidades de baja pre-sin con una etapa se usan, por ejemplo, en plantasde tratamiento de aguas residuales. Las unidadesde varias etapas permiten la posibilidad de refrige-

racin intermedia para reducir la potencia reque-rida. Las etapas se pueden disponer, en serie, enun mismo eje de baja velocidad. Este concepto seutiliza a menudo en las industrias de gas, petr-leo y proceso. La relacin de presiones por etapaes baja, pero se emplea un gran nmero de eta-pas y/o varios compresores en serie p ara obt enerla presin de salida deseada. Para aplicaciones decompresin de aire, se integra una caja de engra-najes de alta velocidad en las etapas del compre-

Compresor centrfugo de tres etapas con engranaje integral.

2:17

2.1.8 Compresores de paletasEl principio de funcionamiento de un compresorde paletas es el mismo que el de muchos motoresneumticos. Las paletas se fabrican normalmentede aleaciones especiales de fundicin y la mayo-ra de los compresores de paletas se lubrican conaceite.Un rotor con paletas radiales flotantes se montaexcntricamente en una carcasa cilndrica o est-tor. Cuando gira el rotor, las paletas se desplazancontra las paredes del esttor por la fuerza centr-fuga. El aire se aspira cuando aumenta la distanciaentre el rotor y el esttor. El aire se captura en lasdiferentes bolsas del compresor, cuyo volumen sereduce con la rotacin. El aire se descarga cuandolas paletas pasan por la lumbrera de salida.

2:15

2:16

Salida

EntradaCompresin

2.1.9 Soplantes RootsUna soplante Roots es un compresor de despla-zamiento sin vlvulas y sin compresin interna.Cuando la cmara de compresin toma contactocon la lumbrera de salida, el aire comprimido flu-ye de nuevo a la carcasa desde el lado de presin.Posteriormente, tiene lugar una nueva compresincuando el volumen de la cmara de compresindisminuye continuamente. La compresin tienelugar a plena contrapresin, con una baja eficienciay un alto nivel sonoro como resultado.Dos rotores contrarrotativos idnticos, normal-mente simtricos, actan en una carcasa, sincro-nizados por medio de un juego de ruedas denta-das. Las soplantes se refrigeran normalmente conaire y son exentas de aceite. Por su baja eficiencia,estas soplantes estn limitadas a aplicaciones demuy baja presin y a la compresin en una etapa,aunque existen versiones de dos y tres etapas. Lassoplantes Roots se usan frecuentemente comobombas de vaco y para transport e neumtico.

Principio de compresin de una soplante Roots.

B

A

B

A

B

A

A

B


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2.2.3 Compresores axialesLos compresores axiales tienen un flujo axial. Elaire circula paralelo al eje del compresor a travs dehileras de labes giratorios y estacionarios. De estamanera, la velocidad del aire aumenta gradualmenteal mismo tiempo que los labes estacionarios con-vierten la energa cintica en presin. Normalmente,el compresor lleva incorporado un tambor de equili-

brio para contrarrestar el empuje axial.Los compresores axiales suelen ser ms pequeos yligeros que sus equivalentes centrfugos y funcionan

por lo general a mayores velocidades. Se utilizan paraelevados caudales constantes, a una presin relativa-mente moderada, por ejemplo, en sistemas de venti-lacin. Dada su alta velocidad de rotacin, se puedenacoplar perfectamente a turbinas de gas para genera-cin de electricidad y propulsin de aeron aves.

2.3 Otroscompresores

2.3.1 Bombas de vacoEl vaco significa una presin menor que la atmos-frica. Una bomba de vaco es un compresor quecomprime un vaco a presiones superiores, gene-ralmente a presin atmosfrica. Una caractersticatpica de las bombas de vaco es la de trabajar conuna relacin de presiones muy alta. Esto explica

por qu son habitu ales mquinas de va rias etapas.Tambin se pueden usar compresores de variasetapas para vacos dentro del rango de presin de 1bar(a) y 0,1 bar(a).

2.3.2 Compresores boosterUn compresor booster es aqul que comprime airecomprimido a una presin mucho mayor. Se puedeusar para compensar la cada de presin en tube-ras largas o en aplicaciones donde se necesita unapresin ms alta para un subpro ceso. Los compre-sores booster pueden tener una o varias etapas ypueden ser de tipo dinmico o de despla zamien-

Rango de funcionamiento de algunos tipos de bombas de vaco.

2:20

Bombas de

desplazamiento

Eyector y bombas

difusoras

Bombas

moleculares

Bombas de absorcin

o criognicas

Requisito de potencia adiabtica para un booster con

una presin final absoluta de 8 ba r(a).

2:21

sor para hacer girar los rodetes en piones de altavelocidad. El rodete puede tener un diseo abier-to o cerrado. El abierto es el ms utilizado paraaplicaciones de aire de alta velocidad. El rodete sefabrica normalmente de una aleacin especial deacero inoxidable o aluminio. La velocidad del ejedel rodete es muy alta comparada con la de otrostipos de compresor. Son habituales velocidades de15.000-100.000 r pm.Esto significa que la sujecin del eje del compresorde alta velocidad se realiza con cojinetes de fric-

cin lisos y film de aceite en lugar de rodamientos.Alternativamente, se pueden usar rodamientos depelcula de aire o rod amientos magnticos a ctivospara obtene r una mquina completamente exentade aceite.Se montan dos rodetes en cada extremo de un ejecomn para compensar las cargas axiales produci-das por las diferencias de presin. Normalmente seusan 2 3 etapas con refrigeradores intermediospara aplicaciones de aire comprimido estnda r.En una configuracin moderna del compresor deaire centrfugo, se usan motores elctricos de ultra

alta velocidad para accionar los rodetes directa-mente. Con esta tecnologa se crea un compresorcompacto sin caja de engranajes ni el correspon-diente sistema de aceite de lubricacin, obtenin-dose as un diseo de compresor completamenteexento de aceite.Cada compresor centrfugo se debe sellar de formaadecuada para reducir las fugas entre el eje y lacarcasa. Se emplean muchos tipos de sellos. Losms avanzados se utilizan en compresores de altavelocidad concebidos para altas presiones. Lostipos ms comunes son los sellos de laberinto, lossellos de anillo o sellos de holgura controlada (nor-malmente sellos de grafito) y sellos mecnicos.Compresor axial.

Moderno compresor centrfugo con accionamiento directo de alta velocidad.

2:19

2:18


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operativos del secador. Existen cinco tcnicas paraeliminar la humedad del aire comprimido: refri-geracin ms separacin, sobrecompresin, mem-branas, absorcin y adsorcin.

2.4.1.1 Refrigerador posteriorUn refrigerador posterior es un intercambiador decalor que enfra el aire comprimido caliente paraprecipitar el agua q ue, en caso cont rario, s e con-densara en las tuberas. Puede ser enfriado poragua o por aire, est dotado generalmente de unseparador de humedad con purgador automtico yse debe colocar junto al compresor.

Aproximadamente el 8090% del agua de con-densacin precipitada se recoge en el separadorde humedad del refrigerador posterior. Un valorcomn de la temperatura del aire comprimidodespus de pasar por el refrigerador posterior esaprox. 10C por encima de la temperatura del refri-gerante, pero puede variar en funcin del tipo derefrigerador. Se emplea un refrigerador posteriorprcticamente en todas las instalaciones estacio-narias. En la mayora de los casos, los compresoresmodernos llevan integrado un refrigerador poste-rior.

Un compresor que suministra 200 litros/segundo de aire tambin aporta unos 10 litros/hora de agua cuando comprimeel aire a 20C. Los problemas debido a la precipitacin de agua en las tuberas y los equipos se pueden evitar con unrefrigerador posterior y un secador.

Relacin entre punto de roco y punto de roco a presin.

2:23

2:24

Aire h medo compr esorRefrigerador

posteriorSecador

frigorficoSistema de

aire comprimido

aire

240 litrosagua/da

240 litros

agua/da

150 litrosagua/da

70 litrosagua/da

90 litros

agua/daAire sec o

Punto de roco a presin atmosfrica

Presin atmosfrica

Punto de roco a presin

to, aunque los ms comunes son los de pistn. Lapotencia requerida para un compresor boosteraumenta con la relacin de presiones, mientrasdesciende el caudal msico. De este modo, la cu rvade potencia requerida est en funcin de la presinde aspiracin y tiene la misma forma general quela curva de una bomba de vaco.

2.3.3 Intensificadores de presinLos intensificadores de presin son una forma decompresor booster, accionado por el propio airecomprimido (conocido como propulsor). Puedenaumentar la presin de un medio para aplicacionesespeciales: ensayos de vlvulas, tuberas y man-gueras en laboratorio. Una presin de 7 bar se pue-de intensificar en una sola etapa hasta 200 bar, o

hasta 1700 bar en equipos multietapa. El intensifi-cador de presin slo est disponible para caud alesmuy pequeos.

Tan pronto como fluye el propulsor, el pistn debaja presin es presionado y expuls a el gas de lacmara de compresin a alta presin. El intensifi-cador puede funcionar en un proceso cclico, has-ta un nivel de presin previamente determinado.Todos los gases inertes se pueden comprimir deesta forma. En un intensificador de presin tam-bin se puede comprimir aire, pero debe estarcompletamente exento de aceite para evitar laautoignicin.

2.4 Tratamiento delaire comprimido

2.4.1 Secado del aire comprimidoEl aire atmosfrico contiene vapor de agua, enmayor cantidad a altas temperaturas. Cuando elaire se comprime, aumenta la concentracin deagua. Por ejemplo, un compresor con una presinde trabajo de 7 bar y una capacidad de 200 l/s quecomprime aire a 20C con una humedad relativadel 80% liberar 10 litros de agua por hora en lalnea de aire comprimido. Para evitar problemasy perturbaciones debido a la precipitacin de aguaen las tuberas y en los equipos conectados, el airecomprimido se debe secar. Esta operacin se reali-za con un refrigerador posterior y un secador.Para describir el contenido de agua en el aire com-primido se emplea el trmino punto de roco apresin (PRP). Se trata de la temperatura a la queel vapor de agua comienza a condensarse. Un pun-to de roco bajo indica un contenido pequeo de

vapor de agua en el aire comprimido.

Es importante recordar que el punto de rocoatmosfrico no se puede comparar con el PRPal cotejar secadores diferentes. Por ejemplo, unPRP de +2C a 7 bar equivale a 23C a presinatmosfrica. No se pueden usar filtros para elimi-nar la humedad (reducir el punto de roco). Estose debe a que un enfriamiento adicional provocauna precipitacin continua de agua de condensa-cin. La seleccin del equipo de secado dependedel punto de roco a presin. Desde el punto de vi s-ta econmico, cuanto menor sea el punto de roconecesario, mayores sern los costes de inversin y

2:22

Seccin transversal de un intensificador de presin deuna etapa.

1. Propulsor

2. Pistn de baja presin

3. Pistn de alta presin

4. Sello

5. Cmara de compresin

6. Entrada

7. Salida


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2.4.1.3 SobrecompresinLa sobrecompresin es quizs el mtodo ms sen-cillo para secar el aire comprimido.

El aire se comprime primero a una presin mayorque la de trabajo prevista, lo cual hace que aumen-te la concentracin de vapor de agua. Despus, elaire se enfra y como resultado se separa el agua.Finalmente, se permite que el aire se expanda a lapresin de trabajo y se obtiene un punto de roco apresin ms bajo. Sin embargo, este mtodo sloresulta adecuado para caudales de aire muy peque-os debido a su elevado consumo de energa.

2.4.1.4 Secado por absorcinEl secado por absorcin es un proceso qumicoque permite que el vapor de agua se fije al materialabsorbente. El material absorbente puede ser sli-

do o lquido. En muchos casos se emplea clorurosdico y cido sulfrico, por lo que se ha de teneren consideracin la posibilidad de corrosin. Estemtodo es inusual e implica un alto consumo dematerial absorbente. El punto de roco se reduceslo de forma limitada.

2.4.1.5 Secado por adsorcinEl principio general de funcionamiento de los seca-dores de adsorcin es simple: el aire hmedo fluyesobre un material higroscpico (silicagel, tamicesmoleculares, almina activada, etc.) y se seca.El intercambio de vapor de agua desde el airecomprimido hmedo al material higroscpico odesecante hace que ste se sature gradualmentecon el agua adsorbida.Por lo tanto, el desecante sedebe regenerar peridicamente para recuperar su

Principio de funcionamiento del secado con refrigerante.

2:27

A Air e com pri mid o de ent radaB Intercambiador de calor aire/aireC Intercambiador de calor aire/refrigeranteD Separador de agua

E Aire comprimido secoF CompresorG CondensatorH Vlvula de expansin

2.4.1.2 Secador frigorficoCon este mtodo, el aire comprimido se enfra,con lo cual se condensa una gran cantidad deagua, que se puede separar. A continuacin, el airecomprimido se vuelve a calentar hasta aproxima-damente la temperatura ambiente para que no seforme condensacin en el exterior de las tuberas.Este intercambio de calor entre el aire comprimidode entrada y de salida tambin reduce la tempe-ratura del primero, lo cual hace que disminuya lacapacidad de refrigeracin necesaria del circuitode refrigerante.El enfriamiento del aire comprimido tiene lugara travs de un sistema cerrado de refrigerante. Elcontrol del compresor de refrigerante mediantealgoritmos inteligentes puede reducir significati-vamente el consumo de energa de los secadoresfrigorficos modernos. Los secadores frigorficos

se utilizan para puntos de roco de entre +2C y+10C y tienen un lmite inferior, que es el puntode congelacin del agua condensada. Estn dis-ponibles como unidades independientes o comomdulo de secado integrado dentro del compresor.Este ltimo ofrece la ventaja de unas dimensionesreducidas y garantiza un rendimiento optimizadopara l a capacidad de u n compresor de ai re esp e-cfico.

Los modernos secadores frigorficos utilizangases refrigerantes con un bajo potencial de calen-tamiento global (PCG), lo cual significa que, en

caso de liberarse accidentalmente a la atmsfera,contribuyen menos al calentamiento global. Losrefrigerantes futuros tendrn un valor PCG anms bajo, segn lo estipulado por la legislacinmedioambiental.

Diferentes refrigeradores posteriores y separadores de agua. Los separadores de humedad pueden funcionar por efectociclnico o mediante cambios de direccin y velocidad.

Cambios tp

Manual de Aire Comprimido 7ma Edicion

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