Compresores centrífugos: ya no es solamente un compresor de carga base

Este artículo analiza cómo el moderno compresor centrífugo con engranajes integrales de etapas múltiples tiene una amplia gama de presiones, flujo y reducción (turndown), lo que le permite usarse como carga base y para aplicaciones de compresores de compensación.

Antecedentes
La tecnología de compresores centrífugos existe desde hace mucho tiempo. El origen se remonta al año 1689, cuando el físico francés Denis Papin y el físico holandés Christian Huyghens colaboraron experimentando con un compresor de aire y utilizando fuerza centrífuga para comprimir aire. A medida que la comunidad de la física ganó una mejor comprensión de la dinámica de fluidos y la termodinámica, el compresor centrífugo evolucionó a partir de un soplador impulsor rudimentario y sencillo hasta el compresor moderno de etapas múltiples que utilizamos hoy en día.

Fundamentos de compresión
Son cuatro los componentes de compresión fundamentales de un compresor de gas centrífugo:

• Admisión: una estructura en forma de tubo que guía el gas hacia la cámara de compresión.
• Impulsor centrífugo: generalmente un disco de alta resistencia montado en un eje con un centro elevado que soporta unas aspas radiales.
• Difusor: una placa plana en forma de rosquilla que rodea el exterior del impulsor, a menudo con aspas fijas elevadas.
• Colector: una estructura que recoge el gas comprimido. También conocido como voluta o espiral.

Estos componentes juntos se denominan "etapa de compresión". Se pueden usar varias etapas en serie para obtener diversos flujos y presiones. Cuando se instalan etapas múltiples en un bastidor común utilizando el eje central del motor, se lo denomina "compresor con engranajes integrales de etapas múltiples".

El proceso de compresión comienza con un gas que ingresa al tubo de admisión. La admisión guía el gas hacia el impulsor centrífugo rotativo de alta velocidad. La fuerza centrífuga del impulsor aumenta la velocidad del gas a una velocidad alta. A medida que el gas sale del diámetro exterior del impulsor, ingresa a un espacio estrecho entre la admisión y la placa difusora. Este espacio estrecho, junto con las aspas del difusor, provoca que el gas de alta velocidad se desacelere rápidamente. Esta fuerte desaceleración hace que las moléculas de aire en el gas se compriman, aumentando así la densidad y la presión relativa del gas. El gas a presión es contenido en el colector y se extrae eficientemente de la etapa de compresión. Este método de compresión se conoce como "compresión dinámica".

Diseño de flujo y presión
Los fabricantes de compresores diseñan las etapas de compresión con una variedad de formas y tamaños para producir diferentes flujos y presiones. En general, cuanto mayor es la presión, más etapas se utilizan. Cuanto mayor sea el flujo, mayores serán los componentes de la etapa del compresor. La mayoría de los compresores centrífugos modernos tienen un motor principal de velocidad fija. Esto se debe a que la compresión dinámica se basa en que el gas alcance una alta velocidad impartida por el impulsor. Si el impulsor se desacelerara, el proceso de compresión dinámica se vería muy disminuido. Por lo tanto, las velocidades del impulsor generalmente no cambian para controlar el flujo o la presión.

Control dinámico de flujo y presión
Normalmente, se utilizan tres métodos para controlar el flujo y la presión:

1. Modulación de admisión: el gas que ingresa a la admisión de la primera etapa del compresor se modula mediante la válvula de admisión. A medida que la válvula de admisión se cierra, el flujo de gas y la potencia del eje se reducen. La modulación de admisión se utiliza para cambiar el flujo del compresor, en relación con la demanda del sistema de aire comprimido al que está conectado. Estos cambios de flujo son monitoreados y controlados mediante un moderno sistema de control por microprocesador que mide la presión del sistema de aire comprimido.
2. Carga y descarga: durante una demanda de bajo flujo, puede ser necesario descargar o detener el flujo del compresor. Esto se hace cerrando completamente la válvula de admisión y abriendo una válvula de derivación después de la etapa de compresión final. Mientras los impulsores siguen girando a toda velocidad, no se produce compresión de aire. Este método se usa si el sistema de aire comprimido puede tolerar fluctuaciones de presión entre 5 y 10 psi, ya que el compresor se cargará y descargará según sea necesario durante los períodos de bajo flujo.
3. Descarga (blow-off): durante la demanda de bajo flujo, en lugar de descargar el compresor, descargamos el exceso de aire. Esto se hace manteniendo el compresor cargado con la válvula de admisión casi cerrada. La válvula de derivación está parcialmente abierta, lo que permite que el exceso de aire comprimido se descargue a la atmósfera, mientras que el compresor continúa suministrando aire comprimido al sistema de aire comprimido. Este método se utiliza cuando el sistema de aire comprimido solamente puede tolerar fluctuaciones de presión entre 1 y 5 psi.

La mala reputación de la descarga
El compresor centrífugo con engranajes integrales de etapas múltiples ha ganado la aceptación general como un compresor confiable y eficiente en energía para grandes aplicaciones de flujo de aire. Los compresores centrífugos también tienen una reputación persistente de ser compresores de carga base, no aptos para sistemas de aire comprimido con grandes cambios en la demanda. Este mito se basa en los primeros diseños de compresores centrífugos, en los cuales la reducción típica de la modulación de admisión era solamente un 10-20 % menor que el flujo total. Esto significa que la demanda de flujo del sistema de aire comprimido cae del 100 % al 60 %, el compresor centrífugo de diseño más antiguo podría modular el flujo de admisión al 80 %, entregar el flujo del 60 % al sistema de aire comprimido y descargar el 20 % a la atmósfera. Descargar un 20 % a la atmósfera se considera un desperdicio de energía. Como resultado, los operadores de plantas familiarizados con los compresores centrífugos más antiguos pueden evitarlos hoy cuando saben que su sistema de aire comprimido tiene variaciones de flujo de más del 20 %.

La tecnología moderna elimina la descarga
El diseño tradicional del impulsor implicaba cálculos manuales y experimentación por ensayo y error. Con la introducción de las simulaciones computacionales de dinámica de fluidos computacional en la década de 1990, el diseño y el desempeño del impulsor se mejoraron drásticamente. Los ingenieros ahora pueden ejecutar miles de simulaciones en la computadora para encontrar el mejor desempeño, eficiencia y reducción.

Otro avance es el controlador moderno. Los controladores por microprocesador son rápidos y potentes, y pueden ejecutar muchas funciones de control simultáneamente. Esto da como resultado respuestas de válvulas de control más rápidas, a la demanda cambiante, junto con una mejor eficiencia energética general. El compresor centrífugo de hoy en día puede tener hasta un 50 % de reducción, cubriendo una amplia gama de flujos y presiones. Tener una mayor reducción significa que el compresor centrífugo se puede instalar en un sistema de aire comprimido con una gran variabilidad de flujo y no descargarlo durante las aplicaciones de bajo flujo.

Un compresor para todas las aplicaciones
El compresor centrífugo moderno ha recorrido un largo camino a lo largo de los años para convertirse en una parte confiable y eficiente de un sistema de aire comprimido. Los compresores centrífugos suelen tener una larga vida útil y un menor costo de mantenimiento que cualquier otro tipo de compresor. Como compresores sin aceite, proporcionan calidad de aire ISO 8573-1 Clase Cero. El aire sin aceite requiere menos filtración aguas abajo y produce menos contaminación de productos y equipos. La alta reducción y mayor eficiencia califica al compresor centrífugo para la mayoría de los programas de incentivos ofrecidos por las empresas de energía. En general, el compresor centrífugo puede cumplir con los requisitos de la mayoría de los sistemas de aire comprimido y debe considerarse como la primera opción al seleccionar un compresor de aire.