Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir.

Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su fluido de trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, también de temperatura; a diferencia de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable.

Historia

Los antiguos herreros solían gritar y rugir para intensificar su fuego y de esta forma facilitaban forjar el hierro, y aunque no se consideren el primer antecedente a los compresores de aire actuales, sí lo fueron. Los gritos y rugidos inhalaban aire en su expansión, luego se exhala mediante una pequeña apertura al final, logrando controlar la cantidad de aire a una locación específica. Con el tiempo se mejoró la forma de soplado, de modo que los griegos y romanos utilizaban fuelles para la forja de hierro y se sabe de diversos mecanismos hidráulicos y de fuelle para accionar órganos musicales. Durante el siglo diecisiete, el ingeniero físico alemán Otto von Guericke experimentó y mejoró los compresores de aire. En 1650, Guericke inventó la primera bomba de aire, la cual podía producir un vacío parcial y él mismo uso esto para estudiar el fenómeno del vacío y el papel del aire en la combustión y la respiración. En 1829, la primera fase o componente del compresor de aire fue patentada. Dicho componente comprimía aire en cilindros sucesivos. Para 1872, la eficiencia del compresor fue mejorada mediante el enfriamiento de los cilindros por motores de agua, que causó a su vez la invención de cilindros de agua. Uno de los primeros usos modernos de los compresores de aire fue gracias a los buzos de mares profundos, quienes necesitaban un suministro de la superficie para sobrevivir. Los buzos que emplearon compresores de aire tuvieron lugar en 1943. Los primeros mineros utilizaron motores de vapor para producir suficiente presión para operar sus taladros, incluso cuando dicho dispositivos probaban ser extremadamente peligrosos para los mineros. Con la invención del motor de combustión interna, se creó un diseño totalmente nuevo para los compresores de aire. En 1960 los lava-autos de auto-servicios, alta-presión y “hazlo tú mismo” se hicieron populares gracias a los compresores de aire. Actualmente, ya seas un mecánico que disfruta de realizar por sí mismo las reparaciones de automóviles o simplemente eliges tener un compresor de aire en casa para llenar las llantas de las bicicletas, el compresor de aire se ha convertido en una pieza rentable para equipo de cochera. Los compresores de aire se pueden conseguir en su presentación eléctrica o de gasolina, siendo más

accesibles para consumidores hogareños. Un émbolo bombea aire comprimido dentro de un tanque a cierta presión, donde se mantiene hasta que es requerido para ciertas acciones tales como hinchar llantas o apoyar el empleo de herramientas neumáticas. La mayoría de las compañías constructoras utilizan los compresores de aire potenciados por gasolina, los cuales son transportados en vagonetas. No encontrarás una casa residencial sin la intervención de un compresor de aire que permita trabajar al martillo eléctrico, ni encontrarás equipo pesado de las mismas compañías carentes del compresor debido a que es una herramienta esencial para llenar las llantas y operar los distintos tipos de llaves. El aire comprimido es una herramienta sumamente importante y hoy en día su eficiencia, la contaminación y su accesibilidad le dan la popularidad que tienen en el mercado.

Utilización[editar · editar código]

Los compresores son ámpliamente utilizados en la actualidad en campos de la ingeniería y hacen posible nuestro modo de vida por razones como:

Son parte importantísima de muchos sistemas de refrigeración y se encuentran en cada refrigerador casero, y en infinidad de sistemas de aire acondicionado.

Se encuentran en sistemas de generación de energía eléctrica, tal como lo es el Ciclo Brayton.

Se encuentran en el interior de muchos motores de avión, como lo son los turborreactores, y hacen posible su funcionamiento.

Se pueden comprimir gases para la red de alimentación de sistemas neumáticos, los cuales mueven fábricas completas.

Tipos de compresores[editar · editar código]

Funcionamiento de un compresor axial.

Clasificación según el método de intercambio de energía:

Hay diferentes tipos de compresores de aire, pero todos realizan el mismo trabajo: toman aire de la atmósfera, lo comprimen para realizar un trabajo y lo regresan para ser reutilizado.

El compresor de desplazamiento positivo. Las dimensiones son fijas. Por cada movimiento del eje de un extremo al otro tenemos la misma reducción en volumen y el correspondiente aumento de presión (y temperatura). Normalmente son utilizados para altas presiones o poco volumen. Por ejemplo el inflador de la bicicleta. También existen compresores dinámicos. El más simple es un ventilador que usamos para aumentar la velocidad del aire a nuestro entorno y refrescarnos. Se utiliza cuando se requiere mucho volumen de aire a baja presión.[1]

El compresor de émbolo: es un compresor de aire simple. Un vástago impulsado por un motor (eléctrico, diésel, neumático, etc.) es impulsado para levantar y bajar el émbolo dentro de una cámara. En cada movimiento hacia abajo del émbolo, el aire es introducido a la cámara mediante una válvula. En cada movimiento hacia arriba del émbolo, se comprime el aire y otra válvula es abierta para evacuar dichas moléculas de aire comprimidas; durante este movimiento la primera válvula mencionada se cierra. El aire comprimido es guiado a un tanque de reserva. Este tanque permite el transporte del aire mediante distintas mangueras. La mayoría de los compresores de aire de uso doméstico son de este tipo.

El compresor de tornillo: Aún más simple que el compresor de émbolo, el compresor de tornillo también es impulsado por motores (eléctricos, diésel, neumáticos, etc.). La diferencia principal radica que el compresor de tornillo utiliza dos tornillos largos para comprimir el aire dentro de una cámara larga. Para evitar el daño de los mismos tornillos, aceite es insertado para mantener todo el sistema lubricado. El aceite es mezclado con el aire en la entrada de la cámara y es transportado al espacio entre los dos tornillos rotatorios. Al salir de la cámara, el aire y el aceite pasan a través de un largo separador de aceite donde el aire ya pasa listo a través de un

pequeño orificio filtrador. El aceite es enfriado y reutilizado mientras que el aire va al tanque de reserva para ser utilizado en su trabajo.

Sistema pendular Taurozzi: consiste en un pistón que se balancea sobre un eje generando un movimiento pendular exento de rozamientos con las paredes internas del cilindro, que permite trabajar sin lubricante y alcanzar temperaturas de mezcla mucho mayores.

Reciprocantes o alternativos: utilizan pistones (sistema bloque-cilindro-émbolo como los motores de combustión interna). Abren y cierran válvulas que con el movimiento del pistón aspira/comprime el gas. Es el compresor más utilizado en potencias pequeñas. Pueden ser del tipo herméticos, semiherméticos o abiertos. Los de uso doméstico son herméticos, y no pueden ser intervenidos para repararlos. Los de mayor capacidad son semiherméticos o abiertos, que se pueden desarmar y reparar.

De espiral (orbital, scroll). Rotativo-helicoidal (tornillo, screw): la compresión del gas se hace de

manera continua, haciéndolo pasar a través de dos tornillos giratorios. Son de mayor rendimiento y con una regulación de potencia sencilla, pero su mayor complejidad mecánica y costo hace que se emplee principalmente en elevadas potencias, solamente.

Rotodinámicos o turbomáquinas: utilizan un rodete con palas o álabes para impulsar y comprimir al fluido de trabajo. A su vez éstos se clasifican en axiales

Análisis de la compresión de un gas[editar · editar código]

Imaginemos que en un cilindro tenemos un volumen de un gas ideal y está «tapado» por un pistón que es capaz de deslizarse verticalmente sin fricción. En un principio este sistema se encuentra en equilibrio con el exterior, es decir, la presión que ejerce el gas sobre las paredes del cilindro y sobre el pistón (que es la misma en todas las direcciones) es igual a la presión que ejerce el peso del pistón sobre el gas , y más ninguna otra fuerza obra sobre nuestro sistema.

Ahora imaginemos que repentinamente aumentamos la presión externa a y

como la presión que ejerce el gas sobre el pistón es el equilibrio se romperá y el cilindro deslizará hacia abajo ejerciendo un trabajo

. Esta energía, por la primera ley de la termodinámica, se convertirá instantáneamente en un incremento de energía interna del gas en el recipiente, y es así como el gas absorberá el trabajo del desplazamiento pistón.

Compresión Isotérmica Reversible para gases ideales[editar · editar código]

Esta forma de compresión es una secuencia de infinitas etapas, o estados, de equilibrio que se conoce como movimiento cuasi-estático, en los que siempre se

cumple que la presión que ejerce el gas sobre las paredes del recipiente es igual a

la presión que ejerce el pistón sobre el gas .

Turbina de gas

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Esquema de un ciclo Brayton. C representa al compresor, B al quemador y T a la

turbina.

Montaje de una turbina de gas.

Una turbina de gas, es una turbomáquina motora, cuyo fluido de trabajo es un gas. Como la compresibilidad de los gases no puede ser despreciada, las turbinas a gas son turbomáquinas térmicas. Comúnmente se habla de las turbinas a gas por separado de las turbinas ya que, aunque funcionan con sustancias en estado gaseoso, sus características de diseño son diferentes, y, cuando en estos términos se habla de gases, no se espera un posible cambio de fase, en cambio cuando se habla de vapores sí.

Las turbinas de gas son usadas en los ciclos de potencia como el ciclo Brayton y en algunos ciclos de refrigeración. Es común en el lenguaje cotidiano referirse a los motores de los aviones como turbinas, pero esto es un error conceptual, ya que éstos son turborreactores los cuales son máquinas que, entre otras cosas, contienen una turbina de gas.

La operación básica de la turbina de gas es similar a la máquina de vapor, excepto que en lugar de agua se usa el aire. El aire fresco de la atmósfera fluye através de un compresor que lo eleva a una alta presión. Luego se añade energía dispersando combustible en el mismo y quemándolo de modo que la combustión genera un flujo de alta temperatura. Este gas de alta temperatura y presión entra a una turbina, donde se expande disminuyendo hasta la presión de salida, produciendo el movimiento del eje durante el proceso. El trabajo de este eje de la turbina es mover el compresor y otros dispositivos como generadores eléctricos que pueden estar acopados. La energía que no se usa para el trabajo sale en forma de gases, por lo cual tendrán o una alta temperatura o una alta velocidad. El propósito de la turbina determina el diseño que maximiza esta forma de energía. Las turbinas de gas se usan para darle potencia a aeronaves, trenes, barcos, generadores eléctricos, e incluso tanques.

Análisis termodinámico[editar · editar código]

Durante el paso del fluido de trabajo a través de una turbina a gas el primero le entrega energía a la segunda, y durante este proceso el fluido se expande y disminuye su temperatura. Podemos hacer un análisis termodinámico de este proceso haciendo un balance de energía:

Esta ecuación es la primera ley de la termodinámica en propiedades específicas, pero a diferencia de otras nomenclaturas el trabajo es considerado positivo si sale del volumen de control, el cual en este caso contiene al fluido en su paso a través de la turbina; es la velocidad, es la energía interna, es la presión, es la altura, es el calor transferido por unidad de masa y es el volumen específico. Los subíndices se refieren a la salida y se refieren a la entrada. Para simplificar nuestro trabajo haremos las siguientes consideraciones:

Consideraremos este proceso como adiabático.

El cambio de energía potencial (gravitatoria) es despreciable debido a la baja densidad de los gases.

Entonces de la primera ley de la termodinámica podemos deducir la expresión para obtener el trabajo específico en función de las propiedades de entrada y salida de la turbina del fluido de trabajo:

El termino es la entalpía la cual se define como .

Turbina es el nombre genérico que se da a la mayoría de las turbomáquinas motoras. Éstas son máquinas de fluido, a través de las cuales pasa un fluido en forma continua y éste le entrega su energía a través de un rodete con paletas o álabes.

Es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de agua o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice.

Las turbinas constan de una o dos ruedas con paletas, denominadas rotor y estátor, siendo la primera la que, impulsada por el fluido, arrastra el eje en el que se obtiene el movimiento de rotación.

Hasta el momento, la turbina es uno de los motores más eficientes que existen (alrededor del 50%) con respecto a los motores de combustión interna y hasta algunos eléctricos. Ya en los años 20, unos inventores, entre ellos uno de apellido Thyssen, patentaron una turbina de combustión interna a la que atribuyeron un rendimiento termodinámico del 31%.

El término turbina suele aplicarse también, por ser el componente principal, al conjunto de varias turbinas conectadas a un generador para la obtención de energía eléctrica.

Índice

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1 Tipos de turbinas o 1.1 Turbinas hidráulicas o 1.2 Turbinas térmicas

2 Turbinas eólicas 3 Turbina submarina 4 Véase también 5 Enlaces externos

Tipos de turbinas[editar · editar código]

Las turbinas pueden clasificarse en dos subgrupos principales: hidráulicas y térmicas.

Turbinas hidráulicas[editar · editar código]

Artículo principal: Turbina hidráulica

Rotor de una turbina Pelton, ésta es una turbina hidráulica de acción de admisión parcial.

Son aquéllas cuyo fluido de trabajo no sufre un cambio de densidad considerable a través de su paso por el rodete o por el estátor; éstas son generalmente las turbinas de agua, que son las más comunes, pero igual se pueden modelar como turbinas hidráulicas a los molinos de viento o aerogeneradores.

Dentro de este género suele hablarse de:

Turbinas de acción: Son aquellas en que el fluido no sufre ningún cambio de presión a través de su paso por el rodete. La presión que el fluido tiene a la entrada en la turbina se reduce hasta la presión atmosférica en la corona directriz, manteniéndose constante en todo el rodete. Su principal

característica es que carecen de tubería de aspiración. La principal turbina de acción es la Turbina Pelton, cuyo flujo es tangencial. Se caracterizan por tener un número específico de revoluciones bajo (ns<=30). El distribuidor en estas turbinas se denomina inyector.

Turbinas de reacción: Son aquellas en el que el fluido sufre un cambio de presión considerable en su paso por el rodete. El fluido entra en el rodete con una presión superior a la atmosférica y a la salida de éste presenta una depresión. Se caracterizan por presentar una tubería de aspiración, la cual une la salida del rodete con la zona de descarga de fluido. Estas turbinas se pueden dividir atendiendo a la configuración de los álabes. Así, existen las turbinas de álabes fijos (Francis->Flujo diagonal; Hélice->Flujo axial) y turbinas con álabes orientables (Deriaz->Flujo diagonal; Kaplan->Flujo axial). El empleo de álabes orientables permite obtener rendimientos hidráulicos mayores.

El rango de aplicación (una aproximación) de las turbinas, de menor a mayor salto es: kaplan-francis-pelton

El número específico de revoluciones es un número común para todas las turbinas/bombas geométricamente semejantes (de menor a mayor es: pelton-francis-kaplan). Cuanto mayor es el número específico de revoluciones, tanto mayor es el riesgo de cavitación de la turbina, es decir, una Turbina Kaplan tiene más probabilidad de que se dé en ella el fenómeno de la cavitación que en una Turbina Francis o una Pelton.

Turbinas térmicas[editar · editar código]

Son aquéllas cuyo fluido de trabajo sufre un cambio de densidad considerable a través de su paso por la máquina.

Estas se suelen clasificar en dos subconjuntos distintos debido a sus diferencias fundamentales de diseño:

Turbinas a vapor: su fluido de trabajo puede sufrir un cambio de fase durante su paso por el rodete; este es el caso de las turbinas a mercurio, que fueron populares en algún momento, y el de las turbinas a vapor de agua, que son las más comunes.

Turbinas a gas: En este tipo de turbinas no se espera un cambio de fase del fluido durante su paso por el rodete.

También al hablar de turbinas térmicas, suele hablarse de los siguientes subgrupos:

Turbinas a acción: en este tipo de turbinas el salto entálpico ocurre sólo en el estátor, dándose la transferencia de energía sólo por acción del cambio de velocidad del fluido.

Turbinas a reacción: el salto entálpico se realiza tanto en el rodete como en el estátor, o posiblemente, sólo en rotor.

Igual de común es clasificar las turbinas por la presión existente en ellas en relación a otras turbinas dispuestas en el mismo grupo:

Turbinas de alta presión: son las más pequeñas de entre todas las etapas y son las primeras por donde entra el fluido de trabajo a la turbina.

Turbinas de media presión. Turbinas de baja presión: Son las últimas de entre todas las etapas, son las

más largas y ya no pueden ser más modeladas por la descripción euleriana de las turbomáquinas.

Turbinas eólicas[editar · editar código]

Artículo principal: Turbina eólica

Una turbina eólica es un mecanismo que transforma la energía del viento en otra forma de energía útil como mecánica o eléctrica.

La energía cinética del viento es transformada en energía mecánica por medio de la rotación de un eje. Esta energía mecánica puede ser aprovechada para moler, como ocurría en los antiguos molinos de viento, o para bombear agua, como en el caso del molino multipala. La energía mecánica puede ser transformada en eléctrica mediante un generador eléctrico (un alternador o un dinamo). La energía eléctrica generada se puede almacenar en baterías o utilizarse directamente.

Véase también: Aerogenerador

Turbina submarina[editar · editar código]

Una Turbina submarina es un dispositivo mecánico que convierte la energía de las corrientes submarinas en energía eléctrica. Consiste en aprovechar la energía cinética de las corrientes submarinas, fijando al fondo submarino turbinas montadas sobre torres prefabricadas para que puedan rotar en busca de las corrientes submarinas. Ya que la velocidad de estas corrientes varía a lo largo de un año, se han de ubicar en los lugares más propicios en donde la velocidad de las corrientes varían entre 3 km/h y 10 km/h para implantar centrales turbínicas preferentemente en profundidades lo más someras posibles y que no dañen ningún ecosistema submarino. Las turbinas tendrían una malla de protección que impediría la absorción de animales acuáticos.

Una turbina de vapor es una turbomáquina motora, que transforma la energía de

un flujo de vapor en energía mecánica a través de un intercambio de cantidad de

movimiento entre el fluido de trabajo (entiéndase el vapor) y el rodete, órgano

principal de la turbina, que cuenta con palas o álabes los cuales tienen una forma

particular para poder realizar el intercambio energético. Las turbinas de vapor

están presentes en diversos ciclos de potencia que utilizan un fluido que pueda

cambiar de fase, entre éstos el más importante es el Ciclo Rankine, el cual genera

el vapor en una caldera, de la cual sale en unas condiciones de elevada

temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en

energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para

producir electricidad. En una turbina se pueden distinguir dos partes, el rotor y el

estátor. El rotor está formado por ruedas de álabes unidas al eje y que constituyen

la parte móvil de la turbina. El estátor también está formado por álabes, no unidos

al eje sino a la carcasa de la turbina.

El término turbina de vapor es muy utilizado para referirse a una máquina motora

la cual cuenta con un conjunto de turbinas para transformar la energía del vapor,

también al conjunto del rodete y los álabes directores.

Índice

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1 Clasificación

2 Principio de funcionamiento

3 Abastecimiento de vapor y condiciones de escape

4 Véase también

5 Enlaces externos

Clasificación[editar · editar código]

Existen las turbinas de vapor en una gran variedad de tamaños, desde unidades

de 1 HP (0.75 kW) usadas para accionar bombas, compresores y otro equipo

accionado por flecha, hasta turbinas de 2,000,000 HP (1,500,000 kW) utilizadas

para generar electricidad. Hay diversas clasificaciones para las turbinas de vapor

modernas, y por ser turbomáquinas son susceptibles a los mismos criterios de

clasificación de éstas. Por otro lado, es común clasificarlas de acuerdo a su grado

de reacción:

Turbinas de acción: El cambio o salto entálpico o expansión es realizada

en los álabes directores o las toberas de inyección si se trata de la primera

etapa de un conjunto de turbinas, estos elementos están sujetos al estátor.

En el paso del vapor por el rotor la presión se mantendrá constante y habrá

una reducción de la velocidad.

Turbinas de reacción: La expansión, es decir, el salto entálpico del vapor

puede realizarse tanto en el rotor como en el estátor, cuando este salto

ocurre únicamente en el rotor la turbina se conoce como de reacción pura.

Principio de funcionamiento[editar · editar código]

La ecuación general de las turbomáquinas fue hallada por Euler y su demostración

se encuentra en el artículo de turbomáquinas. La forma para el trabajo por unidad

de masa que atraviesa el rotor de las turbomáquinas motoras axiales es:

Donde es conocida como velocidad periférica y es la velocidad lineal del rotor,

y son las velocidades absolutas del fluido de trabajo antes y después de

pasar por el rotor respectivamente, y son los ángulos entre la velocidad

absoluta y la velocidad periférica antes y después de pasar por el rotor. Si

introducimos el concepto de velocidad relativa , que es la velocidad del fluido

respecto al rodete, y definimos el ángulo como aquél que existe entre la

velocidad periférica y podemos reescribir la ecuación anterior, por propiedades

del triángulo como:

Ahora escribamos la primera ley de la termodinámica para un balance de energía

del fluido de trabajo en su paso por el rotor, suponiendo a éste un proceso

adiabático:

Recuerdese que consideramos que es definido positivo.

Encontramos así que el cambio entálpico es igual al cambio de los cuadrados de

la velocidad relativa:

Abastecimiento de vapor y condiciones de escape[editar · editar código]

Estas categorías incluyen turbinas condensadoras, no condensadoras, de

recalentamiento, extracción e inducción.

Las turbinas de No condensación o de contrapresión son más ampliamente

usadas para aplicaciones de vapor en procesos. La presión de salida es

controlada por una válvula reguladora para satisfacer las necesidades de presión

en el vapor del proceso. Se encuentran comúnmente en refinerías, plantas de

papel y pulpa y en instalaciones de desalinización, donde se dispone de grandes

cantidades de vapor de proceso a baja presión.

Las turbinas condensadoras se encuentran comúnmente en plantas de potencia

eléctrica. Estas turbinas expelen vapor en estado parcialmente saturado,

generalmente con calidad mayor al 90%, a una presión bastante inferior a la

atmosférica hacia un condensador.

Las turbinas de recalentamiento también son usadas casi exclusivamente en

plantas de potencia eléctrica. En una turbina de recalentamiento, el flujo de vapor

sale de una sección a alta presión de la turbina y es regresado a la caldera donde

se le vuelve a sobrecalentar. El vapor entonces regresa a una sección de presión

intermedia de la turbina y continúa su expansión.

Las turbinas de extracción se encuentran en todo tipo de aplicaciones. En una

turbina de extracción, el vapor es liberado en diversas etapas y aprovechado en

distintos procesos industriales, también puede ser enviado a calentadores de agua

para mejorar la eficiencia del ciclo.