Conceptos Básicos de Neumática e Hidráulica 


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COMPRESORES DE DOS ETAPAS SIMPLE EFECTO  .

En este tipo de compresores, el recorrido del aire en la compresión se realiza en dos etapas por medio de dos pistones, de los cuales uno hace la compresión de la primera etapa, y el otro, la de la segunda.

El compresor, como puede verse en la vista en sección de la Fig. 6-8, aspira por el filtro de admisión F, el aire exterior que ha de comprimir. Para pasar el aire a la cámara de compresión, es necesario que las válvulas de aspiración VA1  se abran, lo que se realiza de una forma automática, ya que, al descender el pistón, se crea un vacío en las cámaras de compresión C-1 y, debido a la presión atmosférica, resulta empujada dicha válvula, dejando pasar el aire hasta que el pistón llega al punto muerto inferior (PMI) al iniciar su ascenso, aumenta la presión en las cámaras C-1, obligando a las válvulas VA-1 a cerrarse antes de que salga el aire que llenaba la cámara de compresión.

Como el pistón sigue su ascenso, el aire aspirado es comprimido basta que la presión del mismo vence la fuerza de las válvulas de escape VE-1, con lo que éstas se abren dejando pasar el aire ya comprimido al refrigerador intermedio R, que es enfriado por medio de un ventilador.

En esta etapa podría alcanzarse la presión que se deseara, pero se comprueba en la práctica, y teóricamente, que es antieconómico pretender presiones altas y caudales igualmente altos a base de comprimir el aire en una sola etapa, pues es necesaria más potencia y el aire sale más caliente que cuando se comprime en varias etapas (para presiones desde 4 a 12 kg/cm2 suelen emplearse compresores de dos etapas).

Así , para evitar estos inconvenientes, se hace que el compresor comprima el aire en dos etapas, pero, antes de realizar la segunda, se enfría el aire prácticamente a la temperatura ambiente, con lo que se obtiene un mayor rendimiento y un aire más frío a la presión final de salida. Según esto, el aire se comprime a pocos kg de presión en la primera etapa; luego se enfría y, seguidamente se realiza la segunda etapa o de alta presión. El ciclo de aspiración, compresión y escape es igual que para la etapa de baja presión, si bien, en este caso, las cámaras de compresión C-2 son más pequeñas, pues al estar comprimido en parte el aire que penetra en ellas ocupa menos volumen que cuando lo hizo en las cámaras C-1; igualmente sucede con las válvulas VA-2 y VE-2, que pueden ser más pequeñas por necesitar menor superficie de paso (en algunos tipos se colocan , para aspiración de baja, dos válvulas, y lo mismo para escape de baja; y para aspiración y escape de alta, una para cada caso).

El movimiento de los pistones del compresor se logra por el clásico mecanismo de biela-manivela; los rozamientos por frotamientos se evitan transformando éstos en rodaduras por medio de cojinetes de agujas.

COMPRESORES DE DOS ETAPAS DOBLE EFECTO 

Para evitar los inconvenientes de los compresores de una etapa, en este tipo de compresores la compresión del aire se realiza en dos etapas por medio de un solo pistón, de los denominados diferenciales y, dado que el compresor va provisto de dos pistones, el caudal de aire suministrado es prácticamente el doble del que proporcionaría un compresor de dos pistones de simple efecto.

La Fig. 6-9 nos muestra la forma en que se realiza el ciclo, pudiéndose apreciar como el compresor aspira aire exterior por filtros F. Para pasar el aire a las cámaras de compresión, es necesario que las válvulas de aspiración VA-1 se abran, lo que se realiza de forma automática , pues, al descender el pistón, se crea un vacío en las cámaras de compresión C-1 y, debido a la presión atmosférica, resultan empujadas dichas válvulas, dejando pasar el aire hasta que los pistones llegan al punto muerto inferior (MI); al iniciar los pistones su ascenso, aumenta la presión en las cámaras C-1 obligando a las válvulas VA-1 a cerrarse antes de que salga el aire que llenaba las cámaras de compresión.

 

 

Como los pistones siguen su ascenso, el aire aspirado es comprimido hasta que la presión vence la fuerza de las válvulas de escape VE-1, con lo que éstas se abren, dejando pasar el aire comprimido al refrigerador R, que es enfriado por medio de un ventilador.

El compresor comprime el aire en dos etapas, pero antes de realizarse la segunda, enfría el aire, prácticamente hasta la temperatura ambiente con lo que se obtiene un mayor rendimiento y un aire más frío a la presión final. Según esto, el aire en la primera etapa se le comprime a pocos Kg. de presión , luego se enfría y, seguidamente, se realiza la segunda etapa o de alta presión. El ciclo de aspiración compresión y escape al depósito es igual que para la etapa de baja presión, aunque , en este caso, las cámaras de compresión C-2 son más pequeñas, pues, al estar comprimido en parte el aire que penetra en ellas, ocupa menos volumen que cuando lo hizo en las cámaras C-1 igualmente sucede con las válvulas, que pueden ser mas pequeñas por necesitar menos superficie de paso (en algunos tipos se colocan para aspiración de baja, dos válvulas, y lo mismo para escape de baja; y para aspiración y escape de alta , una para cada caso ) . 

DISPOSICIÓN DE LOS CILINDROS

En los compresores de cilindros, o a pistón los fabricantes suelen utilizar diversas formas de montaje para los mismos, siendo las más frecuentes las que se de tallan en la figura 6-10 y que son : 1) disposición vertical, 2) horizontal, 3) en L o en ángulo (90º)  y  4) de dos cilindros opuestos, debiendo también incluir la disposición en V muy adoptada para los compresores pequeños.

Los compresores verticales sólo se utilizar para potencias bastante pequeñas, ya que los efectos de machaqueo relativamente importantes producidos por esta disposición conducen al empleo de fundaciones bastante pesadas y voluminosas, en contraposici6n de las disposiciones horizontales o en ángulo, las cuales presentan cualidades de equilibrio tales que el volumen de las fundaciones se reducen muchísimo .

Para compresores pequeños, la disposición en V es la mas empleada . Para compresores grandes de doble efecto, se recurre a la forma en L o en ángulo, con el cilindro de baja presión vertical y el de alta presión horizontal.

TABLA DE CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS DE LOS COMPRESORES A PISTÓN

En las tablas que siguen, se resumen a título de información, las características y datos necesarios para la elección del tipo adecuado de compresor a pistón, entre los diversos modelos mencionados .

Todos ellos son para trabajar a una presión comprendida entre 6 y 7 Kg./cm2, la presión máxima de 8 Kg./cm², establecida como base general, indica la presión límite a la que pueden trabajar, no siendo, por supuesto, recomendable hacer que un compresor trabaje constantemente a su presión máxima. (Ver Pág. 14).

COMPRESORES ROTATIVOS

Se denominan compresores rotativos a aquellos grupos que producen aire comprimido por un sistema rotatorio y continuo, es decir, que empujan el aire desde la aspiración hacia la salida, comprimiéndolo.

Se distinguen los siguientes tipos:

- De tornillo : esencialmente se componen de un par de rotores que tienen lóbulos helicoidales de engrane constante.

- De paletas : el rotor es excéntrico en relación a la carcasa o el cilindro, y lleva una serie de aletas que se ajustan contra las paredes de la carcasa debido a la fuerza centrífuga.

- Tipo Roots : consisten en una envolvente elíptica con  una rueda de paletas giratoria.

COMPRESORES DE TORNILLO

El estudio del primer compresor rotativo de tornillo, lo realiza en 1934 el profesor Alf Lysholm .El principio de funcionamiento de este compresor está esquematizado en la figura 6-15.

Lo que esencialmente constituye el compresor de tornillo, es un par de rotores que tienen lóbulos helicoidales de engranaje constante. Los rotores van montados en un cárter de hierro fundido provisto de una admisión para aire en un extremo y una salida en el otro. El tornillo macho tiene normalmente cuatro lóbulos y el hembra seis. El tornillo macho ha girado 1/4, el hembra 1/6 de revoluciones, en cada una de las figuras de] diagrama (Fig. 6-15) . Según giran los rotores , los espacios que hay entre los lóbulos van siendo ofrecidos al orificio de admisión y el incremento de volumen experimentado provoca un descenso de presión, con lo que dichos espacios empiezan a llenarse de aire (A). Al mismo tiempo se inyecta aceite sometido a presión neumática en el aire entrante; no hay bomba de aceite.

Cuando los espacios interlobulares están completamente cargados de aire, la rotación , que prosigue, cierra el orificio de admisión y comienza la compresión (B) El volumen de aire que hay entre los rotores en engrane continuo sufre aún mayor reducción (E). Cuando se alcanza la presión final a que se somete el aire, el espacio interlobular queda conectado con el orificio de salida (D). la mezcla descargada de aire/aceite pasa por un separador que elimina las partículas de aceite. Entonces fluye el aire limpio por la tubería neumática

Como estos compresores pueden girar a mayor velocidad que los demás resultan apropiados especialmente en instalaciones que necesitan gran capacidad de aire comprimido.

Compresor a tornillo en proceso de construcción

COMPRESORES DE PALETAS.

Los compresores rotativos de paletas (Fig.6-16) pueden ser de una o de dos etapas. Los de una etapa alcanzan presiones efectivas de 0,5 a 4 Kg./cm2, y los de dos etapas, presiones de 3 a 8 Kg./cm2; el volumen de aire oscila entre 100 a 2500 N m3/h

Su funcionamiento está ilustrado en la Fig. 6-16. El rotor R. que es excéntrico respecto a la carcasa por efecto de la fuerza centrífuga. Debido a la posición excéntrica de los cojinetes del rotor, en cada revolución las aletas se deslizan hacia fuera y hacia dentro de las ranuras del mismo.

El volumen creado entre dos aletas disminuye durante la rotación hacia la cámara de presión, desde donde se suministra el aire comprimido.

Un compresor de paletas es una máquina equilibrada, apropiada para la conexión directa a un motor de velocidad relativamente alta. Sin embargo, su bajo rendimiento le impide competir con los compresores de pistón en la mayoría de los casos Es apropiado para trabajos en los que sólo se necesita baja presión. Además, con el uso, su rendimiento disminuye y el consumo de lubricante es elevado.

 

. Air compressors - Compresores de aire

COMPRESORES TIPO ROOTS

Los compresores Roots (Fig. 6-17) conocidos también con el nombre de soplantes

tienen un amplio campo de aplicación para bajas presiones. Estos compresores tienen dos rotores de igual forma, por lo cual no pueden realizan compresión interior ya que el volumen de las cámaras de trabajo no disminuye durante la rotación. El retorno de presión. que tiene lugar en la cámara de trabajo al efectuarse la apertura hacia la cámara de presión, requiere mayor consumo de potencia que en el caso de la compresión interior, por lo cual no se deben alcanzar compresiones muy superiores a los 0,8 Kg./cm² . Ello se debe a la razón citada y, además a que se producirán pérdidas demasiado elevadas a través de los intersticios al ser relativamente cortas las líneas de cierre entre rotor y carcasa.

Con compresores de este tipo se pueden alcanzar elevaciones de presión de unos 2  Kg./cm² resultando adecuado especialmente su montaje sobre camiones-silo para la impulsión neumática de materiales a granel, debido a su suave funcionamiento y a su favorables dimensiones constructivas.

NUEVOS DESARROLLOS EN LOS COMPRESORES ROTATIVOS

a) De paletas 

El empleo industrial de los compresores de paletas quedaba limitado, por sus propias peculiaridades, para ciertos casos particulares.

Están considerados como compresores de una etapa para presiones de hasta 5 Kg./cm² , y su bajo rendimiento les impedía competir con los compresores de pistón en la mayoría de los casos; por ello, su utilización solamente era recomendada para  trabajos en los que , únicamente se necesitase baja presión .

Sin embargo , por los años setenta, dado él avance tecnológico  experimentado por el aire comprimido, se empiezan a comercializar compresores de paletas que alcanzan presiones máximas (a pleno caudal en la descarga del grupo) de.8 Kg./cm² y volúmenes de aire que oscilan entre 90 y 515  N m³/h, para una potencia nominal del motor entre los 15 y 75 CV. Poseen una ventaja muy a tener en cuenta : dado el alto nivel de ruido que producen los compresores de pistón , y es la insonorización grupo por medio de un dispositivo que baja sensiblemente el nivel sonoro de la central de aire .

Por otro lado, el arcaico diseño del compresor de pistón queda marginado y se configura un modelo industrial de atrayente aspecto, que sigue la línea cubista en su formato, con una carcasa metálica que agrupa todos los elementos, desde el depósito de aire hasta el cuadro de maniobras de arranque directo . 

La notable disminución de la temperatura máxima del aire en la descarga para una temperatura ambiente de 20 ºC  , que se sitúa  entre los 100 ºC permite utilizar el aire comprimido tal y como fluye del compresor, sin necesidad de aplicarle un refrigerador posterior. Sin embargo , en caso de necesitar un aire frío para su utilización la adición de un refrigerador posterior enfriado por agua o por aire no alcanza las proporciones de un refrigerador normal, debido a que el salto térmico es menor que para los compresores de pistón.

Dado que en este tipo de compresores la descarga se efectúa sin pulsaciones, puede eliminarse la necesidad de un depósito de aire , la regulación asegura una presión constante en la descarga para un caudal variable de 0 a 100%. Si la regulación de la presión se efectúa a 7 Kg./cm2, ésta varía sólo de 7 Kg./cm2 a plena carga hasta 7,35 Kg./cm2 a caudal nulo.

Funcionamiento

El aire exterior es introducido  en el rotor monobloque del compresor , a través de los paneles filtrantes exteriores que se encuentran en chasis metálico del compresor , y es recogido por un ventilador que está montado sobre el acoplamiento flexible motor compresor . La acción del ventilador impulsa aire al compresor por medio del filtro de aspiración , al mismo tiempo que asegura la refrigeración del aceite en el  radiador y proporciona un enfriamiento suplementario. al motor , ya que el compresor rotativo de paletas esta refrigerado por aceite.

La tubuladura de aspiración se encuentra a la derecha del cilindro , y la de descarga a la Izquierda. 

El rotor gira alrededor de un eje excéntrico. En la aspiración, las paletas, que se aplican contra las paredes del cilindro por efecto de la fuerza centrífuga, deslizan sus ranuras hasta el punto de mínima excentricidad, situado en la parte alta del cilindro. El aire aprisionado en el volumen comprendido entre dos paletas consecutivas en comprimido cuando la rotación continúa y el volumen disminuye. En la parte alta del cilindro, donde comienza la compresión, se inyecta una cierta cantidad de aceite a través de los orificios calibrados y de los alojamientos de los rodamientos de rodillos. Este aceite, filtrado y refrigerado, absorbe el calor producido por la compresión, según puede verse en la figura 6-18 representativa del principio de compresión .

b) De tornillo

Desde que se construyó el primer prototipo de compresor rotativo de tornillo, hasta nuestros días, el referido compresor ha sufrido una evolución industrial considerable.

Uno de los rasgos definitivos de estos primeros compresores a tornillo era que todos funcionaban con cámaras de compresión libres de aceite.

A fines de la década de los 50 se produjo otra innovación: el uso del compresor a tornillo con inyección de aceite en las cámaras de compresión. Este tipo de compresor a tornillo fue pensado, en principio, para uso en unidades portátiles, pero más tarde pasó a emplearse en versiones estacionarias.

Sin embargo, los compresores de tornillo tenían algunos factores específicos que contribuían a limitar su campo de operaciones, tales como rotura de rotores si ocurrían dificultades en su marcha, percances sensibles en los rodamientos, incidencia del diseño del perfil de los rotores en las características de eficiencia, nivel de ruido bastante alto y de elevada frecuencia, por cuyas razones la utilización de un compresor de tornillo quedaba relegada a instalaciones que necesitaban gran capacidad de aire comprimido.

La búsqueda de nuevos perfeccionamientos para el compresor a tornillo dio origen a una cuidadosa investigación en el diseño de una nueva generación de compresores a tornillo, con la intención de eliminar aquellas desventajas.

Las principales características de las mejoras obtenidas son:

a) La adopción de un nuevo perfil de rotor para mejorar la seguridad mecánica y mejor eficacia, particularmente en unidades de menor capacidad.

b) Cierre de la estanquidad de grafito sobre fundición.

c) El uso de un sistema especial de refrigeración para los elementos del compresor, a fin de asegurar una expansión uniforme entre la carcasa y los rotores bajo todo tipo de condiciones de funcionamiento. 

La Fig. 6-19 muestra el nuevo aspecto de los compresores rotativos de tornillo dentro de un chasis metálico que centraliza todos los componentes que integran su funcionamiento.

Fig. 6-19

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