Conceptos básicos de compresores reciprocantes

Ene. 31, 2022

Autor: Noria Latín América

Última actualización: 07/03/23

Un compresor reciprocante es una máquina de desplazamiento positivo que utiliza un pistón para comprimir un gas y entregarlo a alta presión.

Suelen ser algunos de los sistemas más críticos y costosos en una planta de producción y merecen una atención especial. Las tuberías de transmisión de gas, las plantas petroquímicas, las refinerías y muchas otras industrias dependen de este tipo de equipos.

Debido a muchos factores, entre los que se incluyen la calidad de la especificación/diseño inicial, la idoneidad de las prácticas de mantenimiento y los factores operativos, las instalaciones industriales pueden esperar costos de ciclo de vida y confiabilidad muy variables de sus propias instalaciones.

Se encuentran diversos compresores en casi todas las instalaciones industriales. Los tipos de gases comprimidos incluyen los siguientes:

  • Aire para sistemas de aire comprimido para instrumentos y herramientas
  • Hidrógeno, oxígeno, etc. para procesos químicos
  • Fracciones ligeras de hidrocarburos en refinación
  • Diversos gases para almacenamiento o distribución.
  • Otras aplicaciones

Hay dos clasificaciones principales de compresores industriales: flujo intermitente (desplazamiento positivo), incluidos los tipos reciprocantes y rotativos; y flujo continuo, incluidos los tipos de flujo centrífugo y axial.

Los compresores reciprocantes se utilizan típicamente cuando se requieren relaciones de compresión altas (relación entre las presiones de descarga y succión) por etapa sin tasas de flujo altas y el fluido del proceso está relativamente seco.

Los compresores de gas húmedo tienden a ser de tipo centrífugo. Las aplicaciones de alto flujo y baja relación de compresión son mejor atendidas por compresores de flujo axial. Los tipos rotativos se especifican principalmente en aplicaciones de aire comprimido, aunque también se encuentran otros tipos de compresores en el servicio de aire.

Diseño básico

Los componentes principales de un sistema de compresor reciprocante típico se pueden ver en las Figuras 1 y 2. Cabe señalar que el autor nunca ha visto una instalación de compresor “típica” y reconoce la existencia de muchas excepciones.

Los cilindros de compresión (Figura 1), también conocidos como etapas, de los cuales un diseño particular puede tener de una a seis o más, brindan confinamiento para el gas de proceso durante la compresión.

Un pistón es impulsado en una acción recíproca para comprimir el gas. Los arreglos pueden ser de diseño de acción simple o doble. (En el diseño de acción dual, la compresión ocurre en ambos lados del pistón durante la carrera de avance y retroceso).

Algunos cilindros de doble acción en aplicaciones de alta presión tendrán un vástago de pistón en ambos lados del pistón para proporcionar la misma área de superficie y equilibrar las cargas. Las disposiciones de cilindros en tándem ayudan a minimizar las cargas dinámicas al ubicar los cilindros en pares, conectados a un cigüeñal común, de modo que los movimientos de los pistones se opongan entre sí.

La presión del gas está sellada y el desgaste de los componentes costosos se minimiza mediante el uso de anillos de pistón desechables y bandas de guía, respectivamente. Estos se forman a partir de metales comparativamente blandos en relación con la metalurgia del pistón y el cilindro/revestimiento o materiales como el politetrafluoroetileno (PTFE).

Figura 1. Chasis HSE de dos tiros y tren de rodaje

Figura 2. Chasis HSE de dos tiros y tren de rodaje

Figura 2. Chasis HSE de dos tiros y tren de rodaje

La mayoría de los diseños incorporan sistemas de lubricación de alimentación forzada de tipo bloque; sin embargo, cuando hay una tolerancia de proceso cero para el arrastre de aceite, se emplean diseños no lubricados.

Los cilindros para aplicaciones más grandes (el corte típico es de 300 hp) están equipados con conductos de refrigerante para termosifón o sistemas de tipo refrigerante líquido circulante, mientras que algunos compresores domésticos y comerciales más pequeños suelen estar enfriados por aire. Los cilindros de aplicación grande generalmente están equipados con revestimientos reemplazables que se ajustan a presión en el orificio y pueden incluir un pasador antirrotación.

El gas de proceso se introduce en el cilindro, se aprieta, se contiene y luego se libera mediante válvulas mecánicas que normalmente funcionan automáticamente por presiones diferenciales. Según el diseño del sistema, los cilindros pueden tener una o varias válvulas de succión y descarga.

Los descargadores y los bolsillos de espacio libre son válvulas especiales que controlan el porcentaje de carga total transportada por el compresor a una velocidad de rotación determinada de su impulsor. Los descargadores manipulan la acción de las válvulas de succión para permitir que el gas se recicle.

Las válvulas de espacio libre modifican el espacio de la culata (volumen de espacio libre). Pueden ser de volumen fijo o variable. Estos dispositivos están más allá del alcance de este artículo.

La pieza de distancia (a veces llamada caseta de perro) es un miembro estructural que conecta el marco del compresor al cilindro. Debe evitarse la mezcla de fluidos entre el cilindro y la pieza distanciadora. Los anillos de empaque contienen presión de gas dentro del cilindro y evitan que el aceite ingrese al cilindro limpiando el aceite de la varilla del pistón a lo largo de su recorrido.

La pieza de distancia normalmente se ventila de acuerdo con el material más peligroso del sistema, que suele ser el gas comprimido en el cilindro. Los anillos de empaque están diseñados para contener el gas dentro del cilindro, pero con la alta presión es posible que parte del gas comprimido se escape a través de los anillos de empaque.

El mecanismo de rodadura, alojado dentro de la estructura del compresor (Figura 2), consta de la cruceta y la biela que conectan el vástago del pistón al cigüeñal, convirtiendo su movimiento giratorio en un movimiento reciprocante lineal.

El cigüeñal está equipado con contrapesos para equilibrar las fuerzas dinámicas creadas por el movimiento de los pesados pistones. Está soportado dentro del marco del compresor por cojinetes lisos en varios muñones. También se proporciona un volante para almacenar la inercia rotacional y proporcionar una ventaja mecánica para la rotación manual del conjunto.

Algunos compresores lubricarán el mecanismo de rodadura de su estructura con una bomba de aceite integral accionada por eje, mientras que otros cuentan con sistemas de lubricación más extensos montados en patines. Todos los sistemas correctamente diseñados proporcionarán no solo la circulación de aceite a las tribosuperficies críticas del equipo, sino también el control de la temperatura del lubricante, la filtración y alguna medida de instrumentación y redundancia.

Los gases de succión generalmente se pasan a través de filtros y separadores de succión para eliminar las partículas arrastradas, la humedad y el fluido de proceso en fase líquida que podrían causar daños graves a las válvulas del compresor y otros componentes críticos, e incluso amenazar la integridad del cilindro con consecuencias desastrosas.

El gas también se puede precalentar para llevar el gas de proceso líquido a la fase de vapor. Los intercoolers brindan la oportunidad de eliminar el calor del gas de proceso entre las etapas de compresión (Consulte la siguiente sección: El ciclo termodinámico). Estos intercambiadores de calor pueden formar parte del sistema o sistemas de refrigeración del aceite y/o del cilindro del compresor, o pueden estar conectados al sistema de agua de refrigeración de la planta.

En el lado de descarga, los recipientes a presión sirven como amortiguadores de pulsaciones, proporcionando la capacidad del sistema para igualar las pulsaciones de flujo y presión correspondientes a las carreras de compresión del pistón.

Por lo general, los compresores reciprocantes son dispositivos de velocidad relativamente baja y son accionados directamente o por correa por un motor eléctrico, con o sin un controlador de velocidad variable.

A menudo, el motor se fabrica para ser parte integral del compresor, y el eje del motor y el cigüeñal del compresor son de una sola pieza, lo que elimina la necesidad de un acoplamiento. Los reductores de velocidad tipo caja de engranajes se utilizan en diversas instalaciones.

A veces, aunque con menos frecuencia, son impulsados por turbinas de vapor u otras fuentes de energía, como motores de gas natural o diésel. El diseño general del sistema y el tipo de impulsor seleccionado influirán en la lubricación de estos sistemas periféricos.

El ciclo termodinámico

Es necesaria una explicación de algunos principios termodinámicos básicos para comprender la ciencia de los compresores reciprocantes. La compresión ocurre dentro del cilindro como un ciclo de cuatro partes que ocurre con cada avance y retroceso del pistón (dos carreras por ciclo).

Las cuatro partes del ciclo son compresión, descarga, expansión y admisión. Se muestran gráficamente con la presión frente al volumen trazados en lo que se conoce como diagrama PV (Figura 3).

Figura 3. Admisión

Figura 3. Admisión

Al finalizar un ciclo anterior, el pistón se retira por completo dentro del cilindro en V1, cuyo volumen se llena con gas de proceso en condiciones de succión (presión, P1 y temperatura, T1), y las válvulas de succión y descarga están todas cerradas.

Esto está representado por el punto 1 (cero) en el diagrama PV. A medida que avanza el pistón, se reduce el volumen dentro del cilindro. Esto hace que la presión y la temperatura del gas aumenten hasta que la presión dentro del cilindro alcance la presión del cabezal de descarga. En este momento, comienzan a abrirse las válvulas de descarga, indicadas en el diagrama por el punto 2.

Con la apertura de las válvulas de descarga, la presión permanece fija en P2 durante el resto de la carrera de avance a medida que el volumen continúa disminuyendo durante la parte de descarga del ciclo. El pistón se detiene momentáneamente en V2 antes de invertir la dirección.

Tenga en cuenta que queda un volumen mínimo, conocido como volumen de aclaramiento. Es el espacio que queda dentro del cilindro cuando el pistón se encuentra en la posición más avanzada de su recorrido. Es necesario un volumen mínimo de espacio libre para evitar el contacto entre el pistón y la cabeza, y la manipulación de este volumen es un parámetro importante de rendimiento del compresor. El ciclo está ahora en el punto 3.

A continuación, se produce la expansión cuando el pequeño volumen de gas en la bolsa de separación se expande ligeramente por debajo de la presión de succión, facilitado por el cierre de las válvulas de descarga y la retirada del pistón. Este es el punto 4.

Cuando se alcanza P1, las válvulas de admisión se abren y permiten que entre carga fresca al cilindro para la admisión y la última etapa del ciclo. Una vez más, la presión se mantiene constante a medida que cambia el volumen. Esto marca el regreso al punto 1.

Comprender este ciclo es clave para diagnosticar los problemas del compresor y para comprender la eficiencia del compresor, los requisitos de energía, el funcionamiento de la válvula, etc. Este conocimiento se puede obtener analizando la información del proceso y monitoreando el efecto que estos elementos tienen en el ciclo.

Noria Corporation. Traducción por Roberto Trujillo Corona, Noria Latín América

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