Compresores Dinamicos.

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COMPRESORES

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Compresores

Proyecto:

FORMACIÓN DE CUADROS DE REEMPLAZO

PARA OCUPAR PUESTOS DE CONFIANZA CL3 GRUPO 3 (SEMILLEROS)

Líder de proyecto:

Ing. René Soltero Sáenz

Elaboró:

Ing. Josafat Benítez Martínez

Ing. Manuel Méndez Zúñiga Ing. Marco Antonio Rendón Sosa

Ing. Hugo Martínez de Santiago Ing. Alberto Carrasco Rueda Ing. Carlos A. Medina Maldonado

Ing. Tirso M. Policarpo Morales Lic. Erik Alberto Santos Pérez

Instituto Mexicano del Petróleo ®

Pemex Refinación

Copyright © 2011 INSTITUTO MEXICANO DEL PETRÓLEO

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4

Contenido

Contenido

OBJETIVO INSTRUCCIONAL...7

INTRODUCCIÓN...9

1 COMPRESORES DINÁMICOS...11

1.1 CONCEPTOS BÁSICOS DE COMPRESORES DINÁMICOS...11

1.1.1 Relación de compresión...11

1.1.2 Capacidad de un compresor...11

1.1.3 Trabajo y potencia...12

1.1.4 Revoluciones por minuto (RPM)...13

1.2 CLASIFICACIÓN DE COMPRESORES DINÁMICOS...13

1.2.1 Clasificación de los compresores dinámicos...14

1.2.2 Compresores Axiales...14

1.2.3 Compresores centrífugos...16

1.3 DESCRIPCIÓN DE LAS PARTES DE UN COMPRESOR CENTRÍFUGO...21

1.4 SISTEMAS AUXILIARES DE UN COMPRESOR CENTRÍFUGO...37

1.4.1 Sistema de lubricación...37

1.4.2 Sistemas de enfriamiento...39

1.4.3 Elemento motriz...40

1.4.4 Sistemas de seguridad...40

1.5 DESCRIPCIÓN DE LA OPERACIÓN DE LOS COMPRESORES CENTRÍFUGOS...42

1.5.1 Curvas de comportamiento de los compresores centrífugos...42

1.5.2 Definición y ubicación de los puntos de operación y de “surge”...43

1.5.3 Sistemas de control “antisurge”...44

1.5.4 Operación en serie y en paralelo...48

1.5.5 Parámetros que afectan el comportamiento del compresor...49

1.6 PROCEDIMIENTOS DE OPERACIÓN Y ANÁLISIS DE FALLAS DE COMPRESORES CENTRÍFUGOS...50

1.6.1 Operación normal...50

1.6.2 Procedimientos de arranque y paro...51

1.6.3 Solución de problemas en compresores centrífugos...54

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2 COMPRESORES DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO...58

2.1 PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS Y COMPORTAMIENTO DE LOS GASES...58

2.1.1 Comportamiento de los gases...62

2.2 PRINCIPIOS DE OPERACIÓN Y CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS COMPRESORES...68

2.2.1 Uso de los diferentes tipos de compresores...69

2.3 DESCRIPCIÓN DE LOS COMPRESORES RECIPROCANTES...69

2.3.1 Comportamiento de los compresores reciprocantes (ciclo de compresión).. 73

2.3.2 Sistemas para el control de capacidad...77

2.3.3 Descripción de las partes de los compresores reciprocantes...84

2.4 DESCRIPCIÓN DE LOS COMPRESORES ROTATORIOS...105

2.4.1 Compresores de lóbulos...105

2.4.2 Compresores de aspas deslizantes...105

2.4.3 Compresores de tornillo...106

2.4.4 Compresores de pistón líquido...107

2.5 PROCEDIMIENTOS GENERALES DE OPERACIÓN DE LOS COMPRESORES RECIPROCANTES...108

2.5.1 Operación normal...108

2.5.2 Procedimientos de arranque y paro...109

2.6 ASPECTOS DE SALUD OCUPACIONAL, SEGURIDAD Y PROTECCIÓN AMBIENTAL...112

2.6.1 Precauciones para compresores de aire...112

3 CALCULO, ESPECIFICACIÓN, SELECCIÓN Y EVALUACION DE

COMPRESORES EN PLANTAS DE PROCESOS Y REFINACION...115

3.1 CLASIFICACIÓN DE COMPRESORES...115

3.2 EVALUACIÓN DE LOS COMPRESORES CENTRÍFUGOS.-...131

3.3 CALCULO DETALLADO.-...134

BIBLIOGRAFÍA...141

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Compresores

Fig. 1-1. Trabajo y potencia...16

Fig. 2-1. Principio de operación de los compresores dinámicos...17

Fig. 2-2. Direcciones del movimiento de un eje o flecha...18

Fig. 2-3. Compresor axial...18

Fig. 2-4. Disposición de los álabes...19

Fig. 2-5. Rotor y carcasa de compresor axial...20

Fig. 2-6. Principios de operación...21

Fig. 2-7. Inicio del movimiento circular...21

Fig. 2-8. Deflexión de la bola al inicio del giro...21

Fig. 2-9. Movimiento con respecto a un punto fijo...21

Fig. 2-10. Fuerza centrifuga...22

Fig. 2-11. Trayectoria de desplazamiento...22

Fig. 2-12. Velocidad en los puntos a y b...23

Fig. 2-13. Construcción de impulsor...23

Fig. 2-14. Movimiento del gas...23

Fig. 2-15. Operación de un impulsor...24

Fig. 2-16. Difusor... 24

Fig. 2-17. Carcasa tipo voluta...24

Fig. 2-18. Impulsores y difusores...25

Fig. 3-1 Carcasa verticalmente dividida...25

Fig. 3-2. Ensamble de carcasas...26

Fig. 3-3. Impulsor abierto...26

Fig. 3-4. Impulsor semicerrado...26

Fig. 3-5. Impulsor cerrado...27

Fig. 3-6. Montaje de un impulsor...27

Fig. 3-7. Vista de los diafragmas en un compresor multietápico...28

Fig. 3-8. Diafragmas y difusores...28

Fig. 3-9. Aspas guías...29

Fig. 3-10. Detalle sello de laberinto...29

Fig. 3-11. Sello de laberinto...29

Fig. 3-12. Gas de alta velocidad fugando por el sello de laberinto...30

Fig. 3-13. Sello de ensamble...30

Fig. 3-14. Sellos externos de un compresor...30

Fig. 3-15. Gas de referencia...31

Fig. 3-16. Sello con entrada de gas inerte...31

Fig. 3-17. Sello de anillo restrictivo...32

Fig. 3-18. Arreglo de sello restrictivo...32

Fig. 3-19. Sello de película...33 Instituto Mexicano del Petróleo ®

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Fig. 3-20. Sello de contacto...33

Fig. 3-21. Sello de película líquida...34

Fig. 3-22. Sistema con tanque elevado...34

Fig. 3-23. Anillo distribuidor en los sellos de película...35

Fig. 3-24. Operación de un sello seco...35

Fig. 3-25. Arreglo del sello seco...36

Fig. 3-26. Tipos de movimiento que se presentan en una flecha...37

Fig. 3-27. Chumacera radial...38

Fig. 3-28. Chumacera axial o de empuje...38

Fig. 3-29. Lubricación de chumacera radial...39

Fig. 3-30. Zapatas de carga de rodamiento de empuje...39

Fig. 3-31. Balance de fuerzas en un compresor...39

Fig. 3-32. Tambor de balance y línea de balance...40

Fig. 3-33. Equilibrio del movimiento axial a través del tambor y línea de balance....40

Fig. 3-34. Componentes de un compresor centrífugo...41

Fig. 4-1. Sistema de lubricación de un compresor...42

Fig. 4-2. Filtros y enfriadores del sistema de lubricación...42

Fig. 4-3. Diafragmas enfriados...43

Fig. 4-4. Interenfriador... 43

Fig. 4-5. postenfriador... 44

Fig. 4-6. Elemento motriz de un compresor...44

Fig. 4-7. Sistema de gobierno de una turbina de vapor...45

Fig. 5-1. Curvas de comportamiento de un compresor centrífugo...46

Fig. 5-2. Curvas típicas de un compresor...47

Fig. 5-3. Puntos de operación de un compresor...48

Fig. 5-4. Arreglos de control “antisurge”...49

Fig. 5-5. arreglo de un sistema típico de control “antisurge”...50

Fig. 5-6. Pantalla de control “antisurge”...51

Fig. 5-7. Compresores en serie...52

Fig. 5-8. Operación de compresores en paralelo sin válvula check...52

Fig. 1-1. Diagrama P-v...64

Fig. 1-2. Diagrama representando un proceso isocórico...64

Fig. 1-3. Diagrama representando un proceso isbárico...64

Fig. 1-4. Representación gráfica de un proceso isotérmico...65

Fig. 1-5. Representación de un proceso adiabático...65

Fig. 1-6. Cambios politrópicos...65

Fig. 1-7. Leyes que rigen la relación entre la presión, volumen y temperatura de un gas... 66 Instituto Mexicano del Petróleo ®

8

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Compresores

Fig. 1-8. El volumen disminuye al aumentar la presión a temperatura constante...67

Fig. 1-9. A presión constante al aumentar la temperatura aumenta el volumen...68

Fig. 1-10. A volumen constante la presión aumenta con la temperatura...68

Fig. 1-11. Representación de la ley general de los gases...69

Fig. 1-12. Diagrama P-V-T...69

Fig. 1-13. Diferencia entre un vapor y un gas en un diagrama P-V-T...70

Fig. 2-1. Clasificación general de los compresores...73

Fig. 3-1. Admisión y descarga del gas...74

Fig. 3-2. Funcionamiento de las válvulas del compresor...74

Fig. 3-3. Carrera del pistón en un compresor de simple efecto o acción...75

Fig. 3-4. Pistón de doble efecto...75

Fig. 3-5. Carrera del pistón en la etapa de compresión por el lado tapa...75

Fig. 3-6. Admisión de gas por el lado cigüeñal...76

Fig. 3-7. Admisión lado tapa y descarga lado cigüeñal...76

Fig. 3-8. Diagrama presión vs volumen...77

Fig. 3-9. Posición del pistón correspondiente a la presión de descarga...77

Fig. 3-10. Expansión del gas dentro del cilindro...78

Fig. 3-11. Admisión de gas fresco al cilindro...78

Fig. 3-12. Compresión del gas...79

Fig. 3-13. Carrera del pistón en un ciclo completo de compresión...79

Fig. 3-14. Trabajo realizado en un ciclo de compresión...79

Fig. 3-15. La distancia B-C representa el volumen real del gas succionado por el pistón... 80

Fig. 3-16 La relación B-C entre A-C nos da la eficiencia volumétrica del compresor..80

Fig. 3-17. Válvula de estrangulamiento para controlar el flujo de gas al compresor. 81 Fig. 3-18. Efecto de la válvula de estrangulamiento en el Diagrama PV...82

Fig. 3-19. Gas atrapado entre las paredes del cilindro y pistón (espacio libre)...82

Fig. 3-20. Expansión del gas atrapado en el espacio libre...83

Fig. 3-21. Diagrama P-V de un compresor con espacios libres...83

Fig. 3-22. Espacio libre excesivo del cilindro...84

Fig. 3-23. Compresor con espacio libre permanente...84

Fig. 3-24. Compresor con espacio libre que puede ser bloqueado...84

Fig. 3-25. Espacio libre removible a través de bridas...85

Fig. 3-26. Espacio libre ajustable...85

Fig. 3-27. Válvula de descargadora...85

Fig. 3-28. Descargador automático en posición abierto...86

Fig. 3-29. Descargador automático operado por la presión de descarga del compresor... 86

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Pemex Refinación

Fig. 3-30. Ajuste de la capacidad del compresor con control de velocidad del motor o

turbina... 87

Fig. 3-31. Tren de engranes y juego de poleas y bandas como reductores de velocidad... 87

Fig. 3-32. Pistón y cilindro como partes principales de un compresor reciprocante.. 88

Fig. 3-33. Partes de un compresores reciprocante...88

Fig. 3-34. Mecanismo del cigüeñal de un compresor...89

Fig. 3-35. Cilindros y pistones de un compresor reciprocante...89

Fig. 3-36. Motocompresor...90

Fig. 3-37 Asiento de una válvula...90

Fig. 3-38. Placa en forma de canal y muelle...91

Fig. 3-39. Asiento de válvula...91

Fig. 3-40. Válvula de disco...91

Fig. 3-41. Válvula de descarga...92

Fig. 3-42. Camisa o manga...93

Fig. 3-43. Orificio de lubricación bloqueado por la camisa desalineada...93

Fig. 3-44. Pistones menores a 7” y de más de 7”...94

Fig. 3-45. Partes de un pistón...94

Fig. 3-46. Tolerancia entre anillos...95

Fig. 3-47. Anillos del pistón...95

Fig. 3-48 Anillos con aceite de lubricación...96

Fig. 3-49. Empaques de anillos metálicos...96

Fig. 3-50. Anillos segmentados...97

Fig. 3-51. Colocación del sellos B-Ring...97

Fig. 3-52. Arreglo de sellos...98

Fig. 3-53. Lubricación de flecha y pistón...98

Fig. 3-54. Drenado de aceite...98

Fig. 3-55. Caja de sellos con enfriamiento y venteo...99

Fig. 3-56. Cruceta típica atornillada...100

Fig. 3-57. Biela con cojinetes...100

Fig. 3-58 Cabeza del cilindro con cojinete externo...101

Fig. 3-59. Sistema de lubricación por salpicadura...102

Fig. 3-60. Paso de aceite por el cigüeñal al perno...102

Fig. 3-61. Sistema de lubricación forzada...102

Fig. 3-62. Filtro... 103

Fig. 3-63. Válvula de relevo...103

Fig. 3-64. Enfriador de aceite de un sistema de lubricación forzada...103

Fig. 3-65. Lubricación por bloques...104 Instituto Mexicano del Petróleo ®

10

Pemex Refinación

Compresores

Fig. 3-66. Puntos de lubricación...104

Fig. 3-67. Lubricación de un compresor con motor integral...105

Fig. 3-68. Lubricadores de un sistema de lubricación a cilindros...105

Fig. 3-69. Puntos de lubricación en el cilindro...106

Fig. 3-70. Compresor de baja capacidad con aletas de enfriamiento en el cilindro. 106 Fig. 3-71. Carcaza de un compresor con chaquetas de enfriamiento...107

Fig. 3-72. Interenfriador de gas...107

Fig. 3-73. Disco de ruptura instalado y actuado...108

Fig. 3-74. Válvula de relevo...108

Fig. 4-1. Compresor de lóbulos...109

Fig. 4-2. Compresor de aspas deslizantes...110

Fig. 4-3. Distribución de gas en el compresor...110

Fig. 4-4. Flujo de gas en el interior de un compresor de pistón líquido...111

Tabla 2-1. TABULACIÓN GENERAL DE LOS COMPRESORES...121

Tabla 2-2. Pesos moleculares y funciones de calor específico de gases comunes...124

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11

Compresores

OBJETIVO INSTRUCCIONAL

Compresores dinámicos

Incrementar su desempeño al emplear los

conocimientos adquiridos en la capacitación y

desarrollar las habilidades que le permitan arrancar,

parar, y solucionar los problemas que se presenten,

manteniendo la continuidad de la operación de los

compresores dinámicos a su cargo, cumpliendo con

los procedimientos operativos y de seguridad

establecidos en su área de trabajo.

Compresores de desplazamiento positivo

Analizar los principios de operación de los

compresores a través de las propiedades

termodinámicas de los gases. Identificar las partes

principales y sistemas auxiliares que integran los

13

Compresores

compresores reciprocantes y rotatorios. Operar

correctamente los compresores y secadores de aire

aplicando las normas de seguridad, protección

ambiental y calidad vigentes.

Instituto Mexicano del Petróleo ®

Pemex Refinación

Compresores

INTRODUCCIÓN

Compresores dinámicos

Por ser los compresores dinámicos uno de los equipos más

importantes y utilizados en PEMEX, se da una clasificación de los

mismos. Se exponen los principios de operación de los

compresores centrífugos y los elementos constitutivos de los

mismos; también se tratan puntos como los sistemas de control

“anti surge”, sistemas de lubricación, sellos húmedos y sistema

de sellos secos, también se analizan los dispositivos de

seguridad, y procedimientos generales de arranque y paro.

Consideramos que la capacitación, contribuirá a la formación y

actualización del personal de, lo que les proporcionará los

conocimientos básicos y específicos que les permitirán

incrementar su nivel de competencia laboral, demostrándolo al

desempeñar sus actividades dentro de la empresa con mayor

seguridad y cumpliendo con las actividades propias de su puesto,

lo que se traducirá en un incremento de la productividad de

PEMEX.

Compresores de desplazamiento positivo

En este manual se proporciona los aspectos más importantes

sobre la operación de los compresores de desplazamiento

positivo, con la finalidad que se operen estos equipos

correctamente. Al inicio, hay una descripción de las propiedades

termodinámicas y el comportamiento de los gases, a través de

sus leyes fundamentales.

Se da una clasificación general de los compresores y se detallan

los principios de operación de los compresores reciprocantes, su

comportamiento mediante el ciclo de compresión y se mencionan

las diferentes formas que hay para controlar su capacidad.

Instituto Mexicano del Petróleo ®

Pemex Refinación

Compresores

Se describe e ilustran cada una de las partes de los compresores

reciprocantes, mencionando la forma de operación de cada una

de ellas, con lo que queda de manifiesto la importancia de cada

una de sus piezas. También hay ilustraciones de las partes de los

compresores rotatorios. Se muestran los sistemas de lubricación,

enfriamiento y de seguridad de los compresores reciprocantes,

con el fin de tener una mejor idea de la importancia de estos

sistemas e identificar los puntos clave de control durante su

operación. Se hace énfasis en la operación de los compresores

reciprocantes a través de la descripción de la operación normal,

así como de los procedimientos generales de arranque y paro. Se

hace la aclaración que este tema deberá reforzarse en forma

detallada con los procedimientos operativos específicos

correspondientes.

Instituto Mexicano del Petróleo ®

1

1

COMPRESORES DINÁMICOS

COMPRESORES DINÁMICOS

1.1 CONCEPTOS BÁSICOS DE COMPRESORES DINÁMICOS.

1.1.1 Relación de compresión.

Un compresor es una maquina que al hacer trabajo sobre un gas le aumenta su presión, pues el gas que entra a una compresora lo hace a cierta presión y sale a una presión superior.

La diferencia entre la presión de descarga y la presión de succión representa el trabajo efectuado por el compresor sobre el gas, menos las pérdidas debidas al calor y fricción.

La relación de compresión “R” es la relación entra la presión absoluta de descarga y la presión absoluta de succión o sea P2/P1, donde P2 es la presión absoluta de

descarga y P1 la presión absoluta de succión.

succión de P descarga de P R (Absoluta) (Absoluta) 

Los manómetros normales no registran la presión atmosférica pues marcan cero cuando están comunicados con el aire atmosférico.

Pero como para determinar la relación de Compresión “R” hay que hacer uso de presiones absolutas o sea presiones medidas a partir del cero absoluto de presión, que es cuando no exista ninguna partícula de gas que pueda producir alguna

presión en el recipiente que la contenga, es necesario sumar la presión atmosférica que es de 1.033 kg/cm2 _{al nivel del mar a la presión que marque el manómetro.}

Por ejemplo, si un compresor succiona un gas a la presión atmosférica de 1.033 kg/cm2 _{y lo descarga a 4 kg/cm}2 _{leídos en un manómetro normal, la presión absoluta}

de succión es de 1.033 kg/cm2 _{y la presión absoluta de descarga es de 4 + 1.033 =}

5.033 kg/cm2_{, por lo tanto, la relación de compresión será de 5.033/1.033, o sea de}

4.872.

1.1.2 Capacidad de un compresor.

La capacidad de un compresor en término de flujo volumétrico es el volumen de gas que maneja en un periodo dado de tiempo así, miles de pies cúbicos por minuto (MCFM) y metros cúbicos por minuto (m3_{/min) son unidades de capacidad de los}

compresores, y esta capacidad es medida antes de la compresión a condiciones de temperatura y presión dadas en la succión. La capacidad límite de un compresor es el máximo gasto de gas que puede manejar.

1.1.3 Trabajo y potencia.

Se dice que se realiza un trabajo cuando una fuerza desplaza a un cuerpo una determinada distancia, una unidad para medir el trabajo es el kilográmetro (kg-m) o sea el trabajo que realiza para mover el peso de un kilogramo la distancia de un metro.

 En el sistema internacional de unidades (SI), la unidad de trabajo es el Newton por metro (N-m), que recibe el nombre de Joule (J).

 En el sistema CGS, la unidad de trabajo es el Ergio (dina-cm).  En el sistema Ingles, la unidad de trabajo es la libra-pie (lb-ft).

 En el sistema técnico gravitatorio métrico, la unidad de trabajo es el kilográmetro.

POTENCIA (P) es la rapidez con la que se realiza un trabajo.

tiempo Trabajo P

La potencia es el trabajo efectuado por unidad de tiempo, así, si se hace un trabajo de 76 kg-m en un segundo se dice que se tiene la potencia de un caballo de fuerza (HP), Fig. 1-1.

FIG. 1-1. TRABAJOYPOTENCIA.

En el sistema internacional de unidades (SI), la unidad de potencia es el Watt (W) o Vatio

seg Joule W

1 

En el sistema inglés, la unidad de potencia es el caballo de fuerza (HP)

seg lb 550ft HP

1 _  f

Como factores de conversión de una unidad a otra se tiene que: kW 0.746 W 746 HP 1   y HP 1.34 kW 1 

Ha sido una costumbre usar el Watt o Vatio como unidad de potencia eléctrica y el caballo de fuerza como potencia mecánica pero esto no es más que una convención.

1.1.4 Revoluciones por minuto (RPM).

RPM es la abreviación de revoluciones por minuto; y puesto que el impulsor de un compresor centrífugo tiene que girar para mover un gas, conforme aumente las RPM de este la velocidad del gas aumenta o sea que se efectúa un trabajo mayor sobre el gas.

Para unas RPM dadas se efectúa un trabajo determinado (medido en kg-m) por unidad de peso del gas, sin embargo, el peso especifico de los gases, o sea el peso por unidad de volumen, varia de uno a otro, dicho en otras palabras, un gas con un peso especifico mayor pesa más para su mismo volumen que un gas con un peso especifico menor.

Como para unas RPM dadas el trabajo hecho por unidad de peso de gas es igual para los diferentes gases, lo que varia es el volumen que ocupa cada gas, y además, a unas RPM dadas los m3_{/min que el compresor maneja son constantes dando como}

consecuencia que con el gas más denso el compresor manejara un peso, en kg, de gas mayor.

No obstante que el trabajo efectuado por unidad de peso en diferentes gases más densos, y al aumentar el peso de gas en una unidad de tiempo, se hace necesario efectuar un trabajo total mayor en el mismo tiempo, lo que quiere decir que se va a requerir más potencia (en HP) para que un compresor maneje un gas más denso a las misma RPM.

1.2 CLASIFICACIÓN DE COMPRESORES DINÁMICOS.

Un compresor dinámico aumenta la energía de un gas en igual forma que lo hace un ventilador, Fig. 1-2, el giro de las aspas obliga al aire a moverse o a fluir, el aire que está en reposo tiende a permanecer en reposo, y cuando las aspas empiezan a girar empujan el aire, como existen moléculas de aire que se resisten al movimiento, el aire empujado por las aspas es comprimido y aumenta la presión, cuando las aspas del ventilador vencen la resistencia del aire estacionario se produce el empuje de aire hacia delante.

FIG. 1-2. PRINCIPIODEOPERACIÓN DELOSCOMPRESORESDINÁMICOS.

Conforme las aspas giren más rápido, el aire es impulsado a mayor velocidad; el ventilador que efectúa un trabajo sobre el aire, aumenta la presión y la velocidad de este, aumentando el contenido total de energía en el aire.

1.2.1 Clasificación de los compresores dinámicos.

En un compresor dinámico, el aumento de presión se obtiene comunicando a un flujo de gas, cierta velocidad o energía cinética, que se convierte en presión al desacelerar el gas, cuando este pasa a través de un difusor.

Como ya se definió anteriormente los compresores dinámicos se clasifican en:  Compresores Axiales.

 Compresores Centrífugos.

1.2.2 Compresores Axiales.

El movimiento en dirección al eje de una flecha es llamado movimiento axial, en la Fig. 1-3 se muestran las direcciones del movimiento circular y axial.

FIG. 1-3. DIRECCIONESDEL MOVIMIENTODEUNEJEOFLECHA.

Un compresor que mueva un gas paralelamente al eje de su flecha se denomina compresor axial y tiene álabes tanto en el rotor como en el estator, Fig. 1-4.

FIG. 1-4. COMPRESORAXIAL.

Los álabes del rotor están fijos a la flecha y giran con ella, mientras que los álabes del estator están fijos a la carcasa y su arreglo es tal que quedan en forma alternada o sea que un alabe del estator queda entre dos álabes del rotor, Fig. 1-5.

FIG. 1-5. DISPOSICIÓNDELOSÁLABES.

Los álabes del rotor actúan de igual forma que las aspas de un ventilador, y conforme giren obligan al gas a fluir hacia los álabes del estator, y al pasar por el espacio sobre entre los dos álabes el gas pierde velocidad aumentando su presión, o sea que el espacio entre los álabes actúa como un difusor. Las aspas del estator guían además el flujo de gas hacia los siguientes álabes del rotor y en cada juego de álabes del estator-rotor aumenta la presión del gas.

Los álabes dentro de un compresor axial no son del mismo tamaño, pues cada vez son más pequeños, conforme se acerquen a la descarga.

Esto es debido a que el gas del compresor es obligado a ocupar un volumen cada vez menor por efecto de habérsele aumentado su presión.

1.2.2.1Principios de funcionamiento.

Los compresores de flujo axial están constituidos de un número de etapas de álabes rotatorios que son arrastradas por la turbina (elemento motriz) y que giran entre las etapas de álabes estatores o fijos. Tanto los álabes rotatorios o del rotor como los álabes del estator o fijos, tienen formas de perfiles aerodinámicos y están montados de manera que forman una serie de pasos divergentes a través de los cuales el aire fluye en una dirección axial al eje de rotación.

A diferencia de una turbina que también emplea álabes de rotor y álabes fijos de estator, el camino del flujo de un compresor axial disminuye en área de la sección transversal en la dirección del flujo, reduciendo el volumen del gas a medida que avanza la compresión de etapa a etapa y manteniendo constante la velocidad axial del gas a medida que la densidad aumenta a lo largo del compresor. La

convergencia del paso anular del gas se consigue por medio de la conicidad del cárter o del rotor. También es posible una combinación de ambos. La Fig. 1-6 nos muestra un compresor axial.

El compresor centrífugo tiene las siguientes ventajas sobre el compresor axial: a) Mayor robustez y, por tanto, mayor seguridad en la explotación.

b) Menor número de etapas.

c) Mayor facilidad de alojamiento de los sistemas de refrigeración intermedia. d) Mayor zona de estabilidad de funcionamiento, en lo que respecta al problema

de compresión del “surge”.

El compresor axial ofrece las siguientes ventajas con relación al compresor radial: a) Mejor rendimiento.

b) Para un mismo flujo másico y presión, mayor número de revoluciones. c) El turbocompresor axial tiene menor volumen, menor superficie frontal y

menor peso para igualdad de flujo másico y de relación de compresión. Esta ventaja es excepcionalmente importante en aviación, e históricamente

constituyó el estímulo para la evolución del turbocompresor axial con destino a los turborreactores; la ventaja se hace patente en el campo de las relaciones de compresión elevadas y grandes potencias; por esta razón, los turbocompresores de las turbina de gas de gran potencia suelen ser axiales y los de las turbina de gas de pequeña potencia, radiales.

FIG. 1-6. ROTORY CARCASADECOMPRESORAXIAL.

1.2.3 Compresores centrífugos.

Un compresor centrífugo se puede definir como un equipo dinámico que imparte energía cinética o de velocidad a un gas y la convierte en energía de presión.

En los compresores centrífugos, el desplazamiento del gas es esencialmente radial. El compresor consta de uno o más impulsores y difusores, el gas aspirado por el centro del impulsor, es impulsado por los álabes, debido a la fuerza centrífuga, hacia los canales del difusor. El difusor convierte la energía cinética en presión y guía al gas hacia el centro del próximo impulsor y así sucesivamente.

1.2.3.1Principios de operación.

Un cuerpo en movimiento tendería a desplazarse en línea recta si no existiese gravedad u otra fuerza que alterara el movimiento. Suponga una bola atada a un hilo o cuerda y que es puesta en movimiento, asumiendo que no existe gravedad y que la cuerda no tiene ningún efecto sobre la bola, ésta se movería en línea recta, Fig. 1-7.

FIG. 1-7. PRINCIPIOS DEOPERACIÓN.

Si la se fija en un punto y se pone en movimiento, como se ve en la Fig. 1-8.

FIG. 1-8. INICIODELMOVIMIENTOCIRCULAR.

Al principio la bola se mueve en dirección del movimiento, pero cuando la cuerda se estira, esta deflexiona la bola, Fig. 1-9.

FIG. 1-9. DEFLEXIÓNDELABOLAALINICIODEL GIRO.

Debido a la deflexión, la bola describe un arco, si la bola lleva suficiente energía continuara moviéndose en una serie de arcos o círculos, Fig. 1-10.

FIG. 1-10. MOVIMIENTOCONRESPECTOA UNPUNTOFIJO.

Sin embargo, en cada instante de la trayectoria la tendencia de la bola es viajar en una línea recta, pero existe la deflexión constante de la cuerda que la obliga a describir círculos. La cuerda realmente aplica una fuerza a la bola causando el movimiento circular, dicha fuerza esta dirigida hacia el centro del giro y se

denomina “Fuerza Centrípeta”, si por alguna razón la cuerda se rompiera dejaría de ejercer esta fuerza y la bola saldría recta.

La fuerza centrífuga, es la tendencia a jalar hacia fuera del centro de giro un cuerpo, o sea que actúa en sentido contrario a la fuerza centrípeta. Si un balín de acero es colocado cerca del centro de un disco que tiene aspas o álabes, Fig. 1-11.

FIG. 1-11. FUERZACENTRIFUGA.

Cuando el disco comience a girar, uno de sus álabes obligará al balín a moverse, pero el balín tendera a moverse en línea recta, el resultado es la trayectoria mostrada en la Fig. 1-12.

FIG. 1-12. TRAYECTORIADEDESPLAZAMIENTO.

En este caso, la fuerza centrípeta no actúa y el balín es forzado a alejarse del centro por la acción de la fuerza centrífuga. Cuando el disco gira, el balín está en contacto con el álabe.

Si vemos la Fig. 1-13, nos daremos cuenta que el punto A recorrer una distancia más larga que el punto B, para cada revolución.

FIG. 1-13. VELOCIDADENLOS PUNTOSAYB.

El punto A se mueve más rápido cuando el disco gira, de aquí que si un cuerpo es desplazado hacia afuera debido a la rotación del disco, tendrá una velocidad máxima cuando salga por el extremo del disco. El impulsor de un compresor está construido de dos placas separadas por álabes, Fig. 1-14.

FIG. 1-14. CONSTRUCCIÓNDEIMPULSOR.

Si el impulsor comienza a girar, los álabes obligan al gas a moverse, como las moléculas de gas tienden a moverse en línea recta y no existe fuerza centrípeta, la rotación hace que las moléculas se alejen del centro del impulsor y vayan

adquiriendo velocidad, además el gas se opone al empuje de los álabes resultando un aumento en su presión, Fig. 1-15.

FIG. 1-15. MOVIMIENTODELGAS.

El impulsor aumenta la presión y la velocidad del gas. Los compresores que utilizan la fuerza centrífuga para impartir presión y velocidad a un gas son los centrífugos. La parte del compresor centrífugo que mueve el gas es el impulsor, Fig. 1-16. El cual al incrementar la velocidad del gas en la parte de su periferia crea una zona de baja presión en el ojo del impulsor, esta baja presión causa una succión que permite la entrada de más gas.

FIG. 1-16. OPERACIÓNDEUNIMPULSOR.

Cuando el gas sale del impulsor pasa por unos pasajes llamados “Difusor”. Cuando el gas entra al difusor, el impulsor no actúa directamente sobre este gas, Fig. 1-17.

FIG. 1-17. DIFUSOR.

Puesto que el tamaño del difusor es mayor al tamaño del impulsor y este no actúa sobre el gas que está en el difusor, la velocidad del gas disminuye aumentando la presión, o sea, que el difusor convierte la velocidad del gas en presión. Del difusor el gas pasa a la voluta, donde continúa la conversión de velocidad en presión, Fig. 1-18.

FIG. 1-18. CARCASATIPOVOLUTA.

Así pues, un compresor centrífugo genera trabajo sobre un gas impartiéndole

velocidad y presión. El compresor de la Fig. 1-19 es de cuatro pasos, por lo que tiene cuatro impulsores separados, cada impulsor y difusor forman lo que se llama un paso o etapa.

FIG. 1-19. IMPULSORESYDIFUSORES.

El gas entra al primer impulsor y recibe velocidad y presión, esa velocidad es

parcialmente convertida en presión en el difusor, posteriormente el gas se introduce al ojo del segundo impulsor y así sucesivamente, cada impulsor aumenta la energía del gas, obteniéndose con este tipo de arreglo mayores incrementos de presión. Siendo el trabajo total, la suma de los trabajos de cada impulsor hecho sobre el gas.

1.3 DESCRIPCIÓN DE LAS PARTES DE UN COMPRESOR

CENTRÍFUGO.

1.

verticalmente abiertas y carcasas horizontalmente abiertas, la Fig. 1-20 muestra un compresor cuya carcasa es de abertura vertical.

FIG. 1-20 CARCASAVERTICALMENTEDIVIDIDA.

Algunas carcasas de este tipo tienen solamente una tapa removible, siendo el extremo opuesto parte de la misma carcasa. Puesto que la carcasa está construida para evitar fugas a través de ella, las juntas por donde podría escapar el gas se encuentran solamente en los extremos, mientras que en las carcasas de abertura horizontal, la junta es mucho mayor y esta a los largo de toda la carcasa, Fig. 1-21.

FIG. 1-21. ENSAMBLEDECARCASAS.

Existen algunos gases tales como el Hidrógeno que son extremadamente difíciles de contener, por lo que se utilizan compresores de abertura vertical para disminuir las

posibilidades de fugas. Cuando se requiere facilidad de acceso a los componentes internos de una maquina se prefiere que esta sea de carcasa horizontalmente dividida.

2.

compresor centrífugo se llama impulsor, existen tres tipos básicos de impulsores:

Abierto. Se usa para altas presiones de descarga en compresores de una sola

etapa, Fig. 1-22.

FIG. 1-22. IMPULSORABIERTO.

Semicerrado. Usados para grandes flujos, generalmente en un solo paso, o como

primer paso de compresores multietápicos, Fig. 1-23.

FIG. 1-23. IMPULSORSEMICERRADO.

FIG. 1-24. IMPULSOR CERRADO.

Los impulsores están fijos y giran con la flecha del compresor y deben estar

perfectamente balanceados para evitar vibraciones que perjudiquen a la maquina, Fig. 1-25.

FIG. 1-25. MONTAJEDEUNIMPULSOR.

3.

están colocados entre los impulsores, Fig. 1-26. Algunos diafragmas son enfriados con algún líquido el cual circula dentro de ellos y sirve como enfriamiento interno del gas en el compresor.

4.

difusor. En la Fig. 1-27 se observa a detalle el montaje del rotor en los diafragmas, el difusor y los pasajes de intercomunicación.

5.

del ojo del impulsor, Fig. 1-28. Las aspas guía pueden ser ajustables en el primer paso de compresión y con ello controlar la capacidad de un compresor, en

algunos casos su ajuste es automático para mantener el compresor dentro de su rango de operación.

6.

con ellos, como el gas fluye de la succión a la descarga de un impulsor su presión aumenta a la salida de cada impulsor, esta presión tendería a pasar a la región de baja presión por el espacio entre la flecha y el diafragma; para evitar esto, se deben usar sellos. El tipo de sello más usado en este tipo de compresores es el sello de laberinto, Fig. 1-29.

FIG. 1-27. DIAFRAGMASYDIFUSORES.

FIG. 1-29. DETALLESELLODELABERINTO.

El sello de laberinto es un anillo de metal con dientes o peines que rodean la flecha pero sin tocarla, y hechos de un metal suave como es el aluminio o sus aleaciones, para que en caso de un rozamiento accidental, la flecha no se raye. Los espacios entre los dientes forman un pasaje laberíntico, que cuando entra gas en él, este cambia de dirección y reduce su velocidad, esta turbulencia resultante se opone al flujo, pero no evita el 100% de las fugas, Fig. 1-30.

FIG. 1-30. SELLODELABERINTO.

En el caso de gases a alta velocidad, el laberinto prácticamente no cambia la

dirección del flujo de gas, por lo que no se forma turbulencia aumentando la fuga de gas a través del sello, como se ve en la Fig. 1-31.

FIG. 1-31. GASDEALTAVELOCIDADFUGANDOPORELSELLODELABERINTO.

Para evitar esto se utilizan sellos de laberinto de ensamble Fig. 1-32, en este caso, la flecha tiene ranuras o canales que ensamblan en los dientes del sello de laberinto, eliminándose el paso directo del gas a alta velocidad, forzándose la generación de turbulencias y cambios de dirección. De esta manera el sello es más eficiente, pero no evita el 100% de las fugas.

FIG. 1-32. SELLODEENSAMBLE.

Este tipo de sello se usa donde son aceptadas pequeñas fugas, tal como es el caso de sellos de interetapa donde la diferencia de presión entre los gases es

suficientemente pequeña para permitir que el laberinto sea efectivo. Cuando los sellos están en los extremos de la flecha y comunicados a la atmósfera, la fuga que permiten los sellos descargaría a la atmósfera si la presión dentro del compresor es mayor que esta, Fig. 1-33.

FIG. 1-33. SELLOSEXTERNOSDEUNCOMPRESOR.

Si el gas que maneja el compresor es peligroso o tóxico, no se puede permitir su fuga a la atmósfera, en este caso la fuga del sello es desviada para evitar su salida a la atmósfera, su desvío se obtiene por medio de un orificio colocado en el sello entre el gas de proceso y la atmósfera, Fig. 1-34.

FIG. 1-34. GASDEREFERENCIA.

Generalmente se hace que en el orificio la presión sea menor que la atmósfera para que todo el gas que fugue salga por él y no salga hacia la atmósfera.

En el sello de la Fig. 1-35 por el orificio se introduce un gas inerte, con una presión mayor que la presión interna del compresor, esto ocasiona que el gas dentro del compresor no salga a la atmósfera, pero una pequeña cantidad de gas inerte entre a través del sello hacia el interior del compresor y otra fugue hacia la atmósfera como gas inerte que es inocuo.

FIG. 1-35. SELLOCONENTRADADEGASINERTE.

El dibujo de la Fig. 1-36 muestra unos sellos del tipo de anillo restrictivo, los cuales están hechos de un material de baja fricción como el carbón. Los anillos pueden ser de una pieza reforzada por una banda de acero o segmentados y unidos por un resorte opresor.

FIG. 1-36. SELLODEANILLORESTRICTIVO.

En la Fig. 1-37 se ve una flecha con sello de anillos restrictivos, los cuales se mantienen en su posición por medio de anillos prense que son estacionarios y no están en contacto con la flecha.

FIG. 1-37. ARREGLODESELLO RESTRICTIVO.

Este tipo de anillos pueden ser sellados con gas inerte y pueden ser usados además junto con sellos de laberinto para reducir las fugas.

7.

Los compresores centrífugos requieren sellos para evitar que los gases se escapen por donde la flecha sale de la carcasa del compresor. El tipo más común de arreglo de sellado en compresores, es mediante dos sellos, uno en cada extremo del compresor, estos sellos usan aceite, el cual circula a alta presión entre tres anillos alrededor del eje del compresor, formando una barrera contra las fugas de gas comprimido, Fig. 1-38.

El anillo central está sujeto a la flecha, mientras que los dos anillos en cada extremo son estacionarios en la envoltura del sello, colocados contra una película fina de aceite entre los anillos para lubricar y actuar como barrera contra fugas. Los aro-sello de hule evitan las fugas alrededor de los anillos estacionarios. Muy poco gas escapa a través de la barrera de aceite; el aceite absorbe más gas por la alta

presión en la interfaz de aceite/gas en el sello del lado interno del compresor, por lo que el aceite se contamina. El gas absorbido en el aceite se separa usando

calentadores, tanques de evaporación u otras técnicas de desgasificación y se recircula hacia el cárter de aceite. El gas comúnmente se envía a los sistemas de desfogue.

FIG. 1-38. SELLODEPELÍCULA.

Cuando la parte móvil toca la parte estacionaria de un sello, el sello se denomina de contacto, en este tipo de sello las fugas se evitan precisamente por este contacto. La rugosidad produce fricción y la fricción genera calor, por lo que la mayoría de los sellos de contacto deben estar lubricados para reducir la fricción y eliminar el calor generado.

Los sellos de contacto son efectivos hasta presiones de 70 kg/cm2_{, tienen dos}

asientos, uno fijo y el otro rotatorio, Fig. 1-39. En este caso los asientos están separados por un anillo de carbón.

FIG. 1-39. SELLODECONTACTO.

En este caso los asientos están separados por un anillo de carbón. Para sellar presiones hasta de 700 kg/cm2 _{se usan sellos de película liquida, Fig. 1-40.}

FIG. 1-40. SELLODEPELÍCULALÍQUIDA.

Para evitar las fugas la presión del aceite en el sello debe ser ligeramente superior a la del gas, y puesto que la presión del gas puede variar, la presión del aceite

FIG. 1-41. SISTEMACONTANQUE ELEVADO.

Para los sellos de película liquida se requiere un suministro constante de aceite limpio a presión, existiendo una fuga constante de aceite hacia adentro del

compresor, esta fuga se restringe con el uso de anillos distribuidores que eliminan el exceso de aceite evitando una fuga considerable, Fig. 1-42. Además la fuga de aceite es conducida por medio de tuberías hacia trampas recolectoras de aceite contaminado con el gas de trabajo.

FIG. 1-42. ANILLODISTRIBUIDORENLOSSELLOS DEPELÍCULA.

Cuando hay demasiado flujo de aceite contaminado hacia las trampas, indica que el sello esta defectuoso. Los sellos de película liquida frecuentemente se usan en combinación con sellos de laberinto y gas de amortiguación (normalmente es el mismo gas de trabajo) para aumentar la presión en la zona del sello. En el caso de gases como él oxigeno, que al mezclarse con el aceite forman mezclas explosivas, para lubricar los sellos debe usarse otro líquido que no sea aceite.

8.

Una alternativa al Sistema tradicional de sellos de película (de aceite) es el sistema de sellos mecánicos secos. Este sistema de sello no usa ningún aceite circulante de sellado. Los sellos secos operan mecánicamente bajo la fuerza opuesta creada por las ranuras hidrodinámicas y la presión estática. El uso de sellos secos se ha incrementado mucho en los últimos 20 años, con casi el 90% de los compresores centrífugos utilizando este sistema.

Como se muestra en la Fig. 1-43, las ranuras hidrodinámicas están grabadas en la superficie del anillo giratorio sujeto al eje del compresor. Cuando el compresor no está girando, el anillo estacionario en la envoltura del sello está presionado contra el anillo rotatorio por medio de resortes. Cuando el eje del compresor gira a alta

velocidad, el gas comprimido tiene solo un camino para fugarse por el eje, que es entre los anillos giratorios y los estacionarios. Este gas es impulsado entre los anillos, mediante las ranuras del anillo giratorio.

FIG. 1-43. OPERACIÓNDEUNSELLOSECO.

La fuerza opuesta la proporciona el gas inerte de sello a alta presión que se hace circular entre los anillos y los resortes tratando de empujar los anillos entre sí, crea

un espacio demasiado delgado entre los anillos a través del cual puede fugarse un poco de gas. Mientras el compresor está funcionando, los anillos no están en contacto entre sí, y por lo tanto, no se desgastan ni necesitan lubricación. Los aros del ellos, sellan los anillos estacionarios en la caja del sello.

Existen varios arreglos del sistema de sellos secos, el arreglo más común es el de tandem, el cual consiste en un sello primario y un sello secundario, contenidos en un mismo cartucho. Durante la operación normal el sello primario absorbe la fuga total del sistema y el sello secundario es el respaldo del sello primario en caso de falla de este.

La fuga interna del gas de proceso en este sistema es disminuida por medio de un sello de laberinto y por el gas de sello, la fuga externa de gas de sellado hacia el sistema de aceite de lubricación es evitada por el sello de barrido y por el gas de barrido o separación, Fig. 1-44.

FIG. 1-44. ARREGLODELSELLOSECO.

El sistema de sellos secos requiere el suministro de un gas de sellado, el cual se suministra a presión por medio de otro sistema de compresión o de la descarga del compresor.

Existen dos arreglos básicos para el control del sistema de sellos secos: por medio del control de la presión diferencial o por medio del control de flujo. Los sistemas de control de presión diferencial regulan el diferencial de presión entre el gas de sello y el gas de referencia o gas de proceso, manteniendo regularmente una presión del

gas de sellado 10 lb/pulg2_{man, mayor que la presión del gas de referencia, esto se}

efectúa por medio de una válvula de control de presión diferencial.

El sistema de control de flujo, regula el flujo de gas de sello al sello, controlando la fuga de gas a través del orificio del mismo, esto se efectúa por medio de una válvula de aguja o por medio de una válvula de control de presión diferencial, que monitorea la presión del gas que se fuga del sello.

Ventajas de los sellos secos.

Los sellos secos reducen significativamente las emisiones de gas de proceso. A la vez, reducen significativamente el costo de operación y mejoran la eficacia del compresor. Los beneficios económicos y ambientales de los sellos secos incluyen:

 Flujo de fuga de gas. Durante la operación normal, los sellos secos fugan con un flujo de 0.5 a 3 SCFM (pies cúbicos estándar por minuto) a través de cada sello, dependiendo del tamaño del sello y la presión de operación. Mientras esto es equivalente al flujo de fuga del sello húmedo en la cara del sello, los sellos húmedos generan emisiones adicionales durante la

desgasificación del aceite circulante. El gas del aceite generalmente se envía a la atmósfera, lo que lleva a un flujo total de fugas por los sellos húmedos dobles de entre 40 a 200 SCFM, dependiendo del tamaño y la presión del compresor.

 Mecánicamente más sencillo. Los sistemas de sellos secos no requieren

sistemas de circulación de aceite de sellos ni instalaciones de tratamiento.  Reducido consumo de energía. Debido a que los sellos secos no tienen

bombas ni sistemas de circulación de aceite, evitan las pérdidas de energía del equipo “parásito”. Los sistemas húmedos requieren de 50 a 100 kW por hora, mientras que los sistemas de sellos secos necesitan aproximadamente 5 kW de energía por hora.

 Más confiabilidad. El porcentaje más alto de tiempo fuera de servicio para

un compresor que usa sellos húmedos, se debe a problemas con los

sistemas de sellos. Los sellos secos tienen menos componentes auxiliares, lo que hace que sean más confiables en general y se tenga menos tiempo con el compresor fuera de servicio.

 Menor mantenimiento. Los sistemas de sellos secos tienen un costo

menor de mantenimiento que los sellos húmedos porque no tienen piezas móviles relacionadas con la circulación de aceite (bombas, válvulas de control, válvulas de alivio, etc.)

 Eliminación de las fugas de aceite de los sellos húmedos. Al sustituir los sellos secos por los sellos húmedos, se eliminan las fugas de aceite al sistema, por lo tanto, se evita la contaminación del gas y la degradación de las tuberías.

9.

Un compresor está construido de tal forma que sus partes móviles tienen unas tolerancias muy pequeñas que permiten la libre rotación de la flecha e impulsores, pero no debe haber otro tipo de movimiento. El movimiento de una flecha puede ser de tres tipos diferentes, de rotación, axial o radial.

La velocidad de giro es el movimiento deseado en una flecha sin embargo siempre viene acompañada de dos movimientos no deseados uno horizontal o de

desplazamiento y otro vertical o de vibración, Fig. 1-45.

FIG. 1-45. TIPOSDEMOVIMIENTOQUESEPRESENTANENUNAFLECHA.

Este tipo de movimientos se minimizan con las chumaceras o rodamientos axiales y radiales respectivamente hasta ciertos límites. El movimiento axial es el que se realiza en sentido longitudinal de la flecha y puede ser causado por el empuje del gas a alta presión sobre las paredes de los impulsores.

El movimiento radial, es cuando la flecha gira fuera del centro causando una vibración de arriba hacia abajo o hacia los lados, y es debido a impulsores mal balanceados. Los rodamientos son para soportar la flecha con el mínimo de fricción y permitir su libre rotación evitando el movimiento axial o radial. En la Fig. 1-46 se

muestra una chumacera que evita el movimiento radial, pero no el movimiento axial.

FIG. 1-46. CHUMACERARADIAL.

Para reducir el movimiento axial se usan chumaceras de empuje, Fig. 1-47.

FIG. 1-47. CHUMACERAAXIALO DEEMPUJE.

En este tipo de chumaceras la flecha puede girar libremente y puede tener movimiento radial reduciendo el desplazamiento axial. Normalmente en las maquinas se usan los dos tipos de chumaceras para disminuir movimientos indeseables que puedan causar vibración o daños al compresor.

Las superficies de contacto de las chumaceras están hechas de un metal de baja fricción como el babbitt y deben estar lubricadas con una película de aceite a

presión para asegurar un flujo adecuado de este y evitar calentamiento por fricción. En la Fig. 1-48 se muestra una chumacera de almohadillas o placas oscilantes, donde el aceite es atrapado y obligado a formar cuñas de aceite entre la flecha y la placa.

FIG. 1-48. LUBRICACIÓNDECHUMACERARADIAL.

Viendo nuevamente un rodamiento axial, también conocido como de empuje (Fig. 1-49), notamos que la placa de carga gira con la flecha y que el movimiento axial es evitado por las zapatas de carga, el rodamiento es lubricado por aceite de baja presión, quedando la placa de carga en operación normal, separada de las zapatas de carga por una delgada película de aceite que reduce la fricción y elimina el calor generado. En los compresores centrífugos los sellos están colocados generalmente entre la zona de alta presión del gas y los rodamientos.

FIG. 1-49. ZAPATASDECARGA DERODAMIENTODEEMPUJE.

10.

Comparando la presión en cada lado del ensamble del rotor de la Fig. 1-50, vemos que la presión en el lado de la descarga es muy superior a la presión del lado de la succión.

FIG. 1-50. BALANCEDEFUERZASENUNCOMPRESOR.

Esta diferencia de presión causa un esfuerzo axial que tiende a mover todo el rotor hacia el lado de la succión. En compresores pequeños esta tendencia al movimiento axial puede ser evitada mediante el uso de rodamientos de empuje, pero en el caso que sea muy grande se deben usar cámaras o tambores de balance, igualando la presión de operación de los sellos de los extremos por medio de la línea de balance, Fig. 1-51.

La cámara de balance esta fija a la flecha en el lado de la descarga del compresor, un lado de la cámara esta comunicado a la succión de la maquina, a través de la línea de balance, y el otro lado está expuesto a la presión de descarga, que empuja la cámara de balance en dirección de la descarga de la maquina. Refiriéndonos a la Fig. 1-52, vemos que los impulsores causan un empuje axial en dirección al lado de la succión debido a la presión de descarga, pero esa misma presión es aplicada a la cámara de balance en dirección opuesta, dando como resultado que ambas fuerzas se equilibren una a la otra anulándose el empuje axial en uno u otro sentido.

FIG. 1-52. EQUILIBRIODELMOVIMIENTOAXIALATRAVÉSDELTAMBORYLÍNEADEBALANCE.

La línea de balance debe estar siempre abierta para evitar que el rodamiento de carga se destruya por una sobrecarga. Puesto que el tambor de balance esta comunicado a la succión, los sellos en ambos extremos de la maquina operan a la presión de succión. En la Fig. 1-53 se muestra la ubicación del tambor de balance en un compresor centrífugo.

FIG. 1-53. COMPONENTESDEUNCOMPRESORCENTRÍFUGO.

1.4 SISTEMAS AUXILIARES DE UN COMPRESOR

CENTRÍFUGO.

1.4.1 Sistema de lubricación.

La lubricación para este tipo de compresores generalmente es proporcionado a presión, si la presión baja, la lubricación a los rodamientos se suspende y puede dañarse la maquina. Los sistemas de lubricación proporcionan en forma continua aceite limpio, con presión suficiente y frió, para la lubricación de toda la maquina, en la Fig. 1-54 se muestra un sistema típico para estos compresores.

Aquí, el aceite es almacenado en un recipiente y de ahí se circula hasta los rodamientos por una bomba principal. Como disminuye la viscosidad del aceite cuando se calienta, no puede mantener una película protectora entre las partes metálicas en movimiento, de aquí que debe enfriarse antes de pasar a los rodamientos.

El enfriamiento no debe ser muy severo para no incrementar la viscosidad y el aceite fluya adecuadamente. Después de pasar por el enfriador, el aceite se filtra

para eliminar cualquier impureza sólida que pudiese rayar las chumaceras o provocar taponamientos en los conductos de lubricación.

En caso de que se tape un filtro o un enfriador, o que se pare la bomba de aceite, el compresor debe pararse de inmediato para evitar daños por falta de lubricación.

FIG. 1-54. SISTEMADELUBRICACIÓNDEUNCOMPRESOR.

Normalmente se tiene un filtró y un enfriador de relevo para ser usados en caso de una emergencia por taponamiento de alguno de ellos, Fig. 1-55.

FIG. 1-55. FILTROSYENFRIADORESDELSISTEMADELUBRICACIÓN.

Puesto que el sistema debe pararse si falla el sistema de lubricación, algunas

maquinas tienen una bomba principal que gira con la flecha de esta o por medio de un equipo motriz, y una auxiliar que entra en operación en emergencias y durante el periodo de arranque.

Como parte del sistema de protección, normalmente se tiene una alarma que actúa cuando baja la presión de lubricación y un disparo que para la maquina si la presión del aceite baja del límite permisible.

1.4.2 Sistemas de enfriamiento.

En el proceso de compresión se calientan los gases, y entre mayor sea la relación de compresión “R” de una maquina el gas se calentara más. En los casos de

compresores multi-etápicos, muchas veces es necesario enfriar el gas y se puede hacer en varios puntos, uno de ellos es dentro de la misma máquina, donde el agua de enfriamiento pasa dentro de los diafragmas, enfriando los diferentes pasos de compresión, Fig. 1-56.

FIG. 1-56. DIAFRAGMASENFRIADOS.

Otro sistema de enfriamiento consiste en enfriar el gas fuera del compresor,

utilizando ya sea ínter enfriadores, Fig. 1-57, que enfrían el gas entre paso y paso o post-enfriadores que enfría el gas en la descarga de la maquina, Fig. 1-58.

FIG. 1-58. POSTENFRIADOR.

1.4.3 Elemento motriz.

La velocidad en los compresores centrífugos puede variar entre 3000 y 50,000 RPM, o sea que su rango de velocidad de trabajo varia ampliamente. Un compresor que trabaje a 3000 RPM se considera de baja velocidad y de 10,000 RPM en adelante de alta velocidad.

Los motores eléctricos pueden ser usados como elementos motrices acoplados directamente a compresoras de baja velocidad, ya que su velocidad máxima es de 3,600 RPM, para ser usados en maquinas de alta velocidad es necesario utilizar incrementadores de velocidad que son normalmente trenes de engranes, Fig. 1-59. Otro tipo de elementos motrices para maquinas de alta velocidad son las turbinas de vapor o de gas, que pueden acoplarse directamente al compresor.

FIG. 1-59. ELEMENTOMOTRIZDEUNCOMPRESOR.

1.4.4 Sistemas de seguridad.

Los motores eléctricos de los compresores centrífugos deben estar protegidos contra sobrecargas que pueden causar sobrecalentamiento o el quemado del motor,

los sistemas de seguridad pueden ser de tipo termostático que a cierta temperatura paran el motor, o magnéticos que cuando el consumo de corriente llega a un límite, se vota el sistema y para el motor.

Una turbina requiere de un gobernador para mantener la velocidad de trabajo, controlar el suministro de combustible en una turbina de gas, o la entrada de vapor en una turbina de vapor.

La válvula de estrangulamiento la mueve un servo-motor que recibe señales del gobernador, si la turbina se acelera el servo-motor cierra la válvula de admisión y si se desacelera la abre, Fig. 1-60.

FIG. 1-60. SISTEMADEGOBIERNODEUNATURBINA DEVAPOR.

Algunas turbinas tienen acoplado un generador eléctrico, donde los cambios en voltaje corresponden a los cambios de velocidad, estos cambios de voltaje se utilizan en un control piloto que actúa sobre la válvula de estrangulación. Si un compresor centrífugo pierde carga bruscamente, y esta operado por una turbina, esta se acelera rápidamente, en esta situación el gobernador debe responder lentamente para evitar daños al compresor o a la turbina, además el

gobernador puede fallar por diversas causas, como las impurezas en el vapor que bloqueen la válvula de estrangulación, o deficiencias en su sistema hidráulico, en este caso es necesario un mecanismo que pare la turbina por exceso de velocidad. Los dispositivos mínimos de protección con los que debe de estar equipado

cualquier compresor centrífugo son:

Protección por Alarma Disparo

Baja presión de aceite de lubricación. X X Baja presión diferencial de aceite de sellos. X X

Bajo nivel de aceite en la consola. X Alta presión diferencial en los filtros. X Alta temperatura del aceite a la salida de los enfriadores X

Alta temperatura en las chumaceras del compresor. X X Alta vibración y desplazamiento en el compresor X X

Además podrá estar equipado con otros dispositivos de protección cuando se especifiquen.

1.5 DESCRIPCIÓN DE LA OPERACIÓN DE LOS COMPRESORES

CENTRÍFUGOS.

1.5.1 Curvas de comportamiento de los compresores centrífugos.

En las curvas de comportamiento dimensional, se muestra en el eje de las abscisas el flujo volumétrico manejado por el compresor y en el eje de las ordenadas la relación de compresión (PD/PS), la carga isoentropica (HISOENT) o la presión de

descarga (PD), para presión de succión (PD) constante, como se muestra en la Fig.

1-61.

Cada curva está limitada por la curva de “surge”, al interceptarse las líneas a la curva de “surge”, determinan los límites de estabilidad. Dado que el gas es

compresible, el volumen a la salida del compresor es menor que la entrada, debido al incremento de presión.

FIG. 1-61. CURVASDECOMPORTAMIENTODEUNCOMPRESORCENTRÍFUGO.

En la Fig. 1-62 se grafican las curvas típicas de comportamiento dimensional para las condiciones operativas del compresor centrífugo; en el eje de las ordenadas se indica la presión de descarga (PD), la relación de compresión (PD/PS) o la carga

isoentrópica (Hisoent), contra el flujo volumétrico en el eje de las abscisas. Para cada

curva de velocidad de operación, se obtienen las líneas de potencia constante limitadas al interceptarse a la línea del límite de estabilidad o línea de “surge”.

FIG. 1-62. CURVASTÍPICASDEUNCOMPRESOR.

1.5.2 Definición y ubicación de los puntos de operación y de “surge”.

Frecuentemente es necesario usar el compresor a cargas (flujos) menores que el valor para el cual fue diseñado. Si el flujo se reduce suficientemente, el compresor entra en una región de inestabilidad, llamada zona de “surge”. El valor del flujo donde comienza la inestabilidad se llama punto de vacío o punto de “surge”. El vacío o “surge” es una oscilación de todo el flujo en el compresor y en las tuberías. Esta oscilación hace que el rotor se sacuda, golpeando los cojinetes de empuje, lo cual en casos extremos, puede dañarlos o destruirlos. Este fenómeno de “surge” está relacionado con la característica real del compresor, Fig. 1-63.

FIG. 1-63. PUNTOSDEOPERACIÓNDEUNCOMPRESOR.

Supongamos que un compresor funciona a velocidad constante en cierto punto A en el lado creciente de la curva característica (línea CE). Si el flujo del compresor se reduce a B, lo cual se consigue cerrando un poco la válvula de descarga del compresor, la operación sigue estable porque aunque se produce un aumento de presión en la línea de descarga debido a la restricción, la presión del compresor es mayor en B que en A y puede vencer la resistencia.

Cuando el compresor está operando en C, cualquier reducción de flujo ocasiona menor presión en el compresor que en el sistema. En ese caso, el flujo cambia de dirección (sentido inverso), el cual lleva el punto de operación a cero caudal (punto

D), con lo que la línea de descarga del compresor se alivia y reduce su presión,

provocando con esto daños severos en el compresor.

El punto de “surge” representa el límite de bajo flujo dentro de los parámetros de operación del compresor. El área de alto flujo – baja eficiencia dentro de los parámetros de operación del compresor, es conocida como “stonewall”.

1.5.3 Sistemas de control “antisurge”.

Un compresor conectado a un sistema de gran capacidad con una elevada demanda de gas, cuando el compresor se arranca, la alta demanda de gas produce una

resistencia muy baja en la descarga de la maquina, lo que provoca que la capacidad del compresor sea alta al principio.

Conforme se descarga y se va llenando de gas el sistema, las necesidades de capacidad del compresor se reducen, y si el sistema no usa el gas tan rápidamente como el compresor lo descarga, la presión en el sistema aumentará.

Al aumentar la presión en el sistema, también aumenta la resistencia a la descarga de la maquina, provocando la disminución de la capacidad de ella.

Además el compresor debe efectuar un trabajo mayor sobre el gas para poder descargarlo a la presión del sistema. Si este efecto es continuo, llega un momento en el que la presión del sistema detiene el flujo, y la presión dentro del compresor se hace menor que la del sistema invirtiendo el flujo del sistema hacia el compresor. Este rápido flujo inverso, se conoce como “surge” o inestabilidad, y produce severas vibraciones en el compresor y golpes en el check que pueden causar serios daños a la maquina.

Un compresor también entra a operar en “surge”, cuando el flujo de gas de succión baja del nivel mínimo establecido.

A partir de 1965 se han desarrollados nuevas estrategias de control para prevenir el fenómeno de inestabilidad o “surge” en los compresores centrífugos de velocidad variable. La estrategia más común ha sido el esquema de flujo/∆P, llamado a si por que se basa en la medición de flujo de succión y de la presión diferencial (∆P) a través del compresor (presión de descarga menos presión de succión (PD-PS). Sin

embargo, esta configuración básica varía de una aplicación a otra, ya que depende de las propiedades físicas del gas de succión durante la operación normal

(temperatura, peso molecular, etc.) y de las posibles tendencias a cambiar de estas últimas. Históricamente, los ingenieros de control han seleccionado la

instrumentación más rápida y precisa disponible en el mercado, debido a las características del fenómeno del “surge”.

FIG. 1-64. ARREGLOSDECONTROL “ANTISURGE”. Las alternativas más comunes son:

 Reducir la resistencia en el cabezal de descarga, la cual reduce la relación de compresión (recirculación del gas de descarga a la succión o desfogar el gas).

 Variar la velocidad de la turbina.

 Variar la posición de las paletas guía de entrada (IGV) (si es posible).

El método más comúnmente utilizado es la recirculación de gas frió de la descarga a la succión ya que reduce la presión estática en la línea de descarga, a la vez que aumenta el flujo a través del compresor, lo cual mantiene al compresor alejado de la línea de “surge”.

Debido a que la línea de “surge” del compresor puede ser afectada por las variables y condiciones transitorias del proceso, el sistema de control debe ser capaz de acomodar cambios automáticamente o por lo menos en forma sencilla (cambiando una constante en una estación manual, etc.) La instrumentación convencional no puede responder fácilmente a cambios y el compresor puede entrar en “surge”, aun cuando el sistema de control este en perfectas condiciones de funcionamiento. El problema no es la estrategia de control, si no que los cambios en las condiciones del gas puedan hacer que las líneas de “surge” se mueva a la derecha, haciendo al compresor más susceptible al “surge” sin que el sistema de control pueda detectarlo.

1.5.3.1Control “antisurge” basado en el esquema flujo/∆p.

Como se mencionó anteriormente, la mejor estrategia de control “antisurge” para una aplicación en particular debe ser capaz de responder automáticamente a todos los cambios esperados en el proceso y al mismo tiempo proteger la maquinaria en caso de haber oleaje debido a un mal funcionamiento en el sistema de control (falla segura). El lazo de control puede ser basado en un sencillo esquema flujo/∆P, en un sistema más complicado con compensación por temperatura y/o gravedad

especifica, en compresores que funcionan en serie o en paralelo. La estrategia de control “antisurge” flujo/∆P está basado en la siguiente ecuación:

b

kh

ΔP





Donde: P = Presión de descarga menos presión de succión.

h = Presión diferencial a través de un orificio en la línea de succión.

k = Constante de proporcionalidad.

b =Bias para igualar el origen de la línea de inestabilidad (“surge”).

La ecuación anterior, indica que la medición del flujo en el orificio por medio de la caída de presión a través del mismo, multiplicado por la constante k en la estación de relación, es el punto de ajuste remoto al “surge”, el cual opera la válvula de recirculación. La variable del proceso del controlador es la variación en la diferencia de presión entre la descarga y la succión, la cual es medida por el transmisor. En la práctica, la estación de relaciones ajustada para producir una línea de punto de ajuste, la cual estará alrededor del 10% más alta que la línea de oscilación (“surge”), justamente para estar en el lado seguro, Fig. 1-65.

FIG. 1-65. ARREGLODEUNSISTEMA TÍPICODECONTROL “ANTISURGE”.

Una importante consideración en sistemas “antioscilatorios” es el tamaño de la válvula de retorno del gas a la succión del compresor, ya que debe considerar dos puntos:

a). Ser capaz de manejar el flujo a máxima velocidad y caída de presión disponible, de acuerdo a especificaciones.

b). Ser capaz de manejar el flujo a mínima velocidad y caída de presión disponible de acuerdo a especificaciones.

La válvula de recirculación debe permanecer cerrada durante la operación normal y abrir únicamente cuando el flujo alcanza la condición de oscilación. En otras

palabras, el compresor esta normalmente a flujos más altos que en el punto de ajuste del controlador. El controlador abre la válvula únicamente cuando el flujo empieza a alcanzar la condición de oscilación (“surge”), Fig. 1-66.