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REPÚBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL BELLOSO CHACÍN VICERRECTORADO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO DECANATO DE INVESTIGACIÓN Y POSTGRADO MAESTRÍA EN INGENIERIA DE CONTROL Y AUTOMATIZACION DE PROCESOS

COMPRESORES DINAMICOS

Autores: Ing. Cabrera Edymar C.I.: 21.076.598 Ing. CanoYossen C.I.:21.275.143 Ing. Mendoza Ibely C.I.: 18.522.621 Ing. Pinto Francisco C.I.: 19. 568.836 Ing. Villamizar Gabriela C.I.: 20.779.431

Maracaibo, 12 de Diciembre de 2014

CONTENIDO INTRODUCCIÓN.................................................................................................... 3 RASGOS HISTÓRICOS............................................................................................ 4 CLASIFICACIÓN.................................................................................................... 5 TIPOS Y CARACTERISTICAS.....................................................................................6 COMPRESORES CENTRÍFUGOS.................................................................................................... 6 COMPRESORES AXIALES............................................................................................................ 7 EL IMPULSOR.......................................................................................................................... 8 COMPRESOR MULTI-CAJA........................................................................................................... 9 COMPRESOR AXIAL MULTI ETAPA................................................................................................. 9 COMPRESOR CENTRÍFUGO DE MÚLTIPLES ETAPAS...........................................................................9 FUNDAMENTOS TERMODINAMICOS.........................................................................11 CONSIDERACIONES BÁSICAS SOBRE EL FUNCIONAMIENTO Y OPERATIVIDAD...................12 RENDIMIENTO..................................................................................................... 14 GRAFICAS DE RENDIMIENTO...................................................................................................... 15 VENTAJAS DE LOS COMPRESORES CENTRÍFUGOS..........................................................................15 DESVENTAJAS DE LOS COMPRESORES CENTRÍFUGOS.....................................................................16 MANEJADORES (DRIVERS)....................................................................................16 PROTECCIONES.................................................................................................. 18 ESTRANGULAMIENTO DEL COMPRESOR O EFECTO STONEWALL (CHOKE)............................................18 OLEAJE (SURGE) DEL COMPRESOR O GOLPE DE ARIETE.................................................................19 CONCLUSIONES..................................................................................................23 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.............................................................................25

INTRODUCCIÓN Los compresores de aire son dispositivos usados para proporcionar energía eficiente a las herramientas y a las maquinarias de construcción. Los compresores de aire pueden operarse por motores de combustión interna y su capacidad de presurizar el aire permite a la energía ser transmitida vía tubos o mangueras. Los Compresores Dinámicos son máquinas en las que el aire o el gas es comprimido por la acción mecánica de las paletas o impulsores que imparten velocidad y la presión de girar el aire o gas. En un compresor axial, como el nombre implica, el flujo es en una dirección axial.En un compresor centrífugo, el flujo es en una dirección radial.

Figura 1. Compresor Centrifugo

Figura 2. Turbocompresor de Flujo Axial

Los compresores de aire son generalmente utilizados para transmitirle energía a los taladros de roca, a los martillos perforadores, a los motores de aire, a las bombas, y a muchos más tipos de materiales de construcción. El uso de compresores le permite a los trabajadores perforar agujeros, cortar materiales, machacar roca, verter concreto vibrado, y se utiliza constantemente en otras incontables aplicaciones de la construcción. Sin embargo, su uso no está limitado solo al área de la construcción, también se puede encontrar: mantenimiento de plantas industriales, líneas de producción de distintas industrias, estaciones de ensamblaje automático, Agricultura, aeronáuticas, etc.

RASGOS HISTÓRICOS A continuación se presentan los rasgos históricos más resaltantes de los compresores en general, pasando a los compresores dinámicos: 

La Invención de Von Guericke: En 1650, un físico e ingeniero Alemán llamado Otto Von Guericke inventó una bomba de vacío y experimentó con la presión de aire y cómo esta puede ser utilizada para alcanzar diversos medios. La bomba de aire de Guericke demostró cómo el aire trabajaba con la combustión. Sus experimentos mostraron la ruta para posteriores estudios del uso de aire como compresor.



Los Primeros Compresores de Aire: El compresor conocido como el “cilindro soplador” fue el primero en ser inventado. Este fué creado en 1762 y podía producir 14.5 libras por pulgada cuadrada (kPa 99.9). En 1829, un compresor de aire compuesto fue patentado. Un poco más de 40 años después, en 1872, el compresor fue mejorado con el uso de chorros de agua que refrescaban a los cilindros. Esta invención acentuó la importancia de controlar la temperatura y la humedad del aire que estuviera siendo comprimido para una eficacia más alta de herramientas.



Progresos del Siglo XX: Los compresores de aire llegaron a ser cada vez más avanzados debido a que la tecnología los forzó a improvisar para poder ser usados en aplicaciones y más grandes proyectos de construcción. Los compresores de flujo-axial y loscompresores centrífugos aparecieron a mediados de los 1900s, junto con un control-neumático de lógica-digital. El primero compresor dinámico fue construido en 1899 por el Dr.Auguste Camille EdmondRateau. En 1910 H. Lorenz y E. Elgenfeld propusieron el uso de compresores centrífugos en el Congreso de Refrigeración de Viena. En 1911 W. H. Carrie aplica los compresores dinámicos, el motivo de su introducción fue disminuir el tamaño de las instalaciones de gran potencia.

De 1920 a 1950 se comienzan a construir compresores dinámicos con mayor eficiencia llegando hasta 75% de eficiencia, mejorando significativamente su eficiencia y poder compararse en eficiencia con los compresores de desplazamiento positivo. A mediados de los años 1970s se vive una crisis energética y obliga a las empresas que manufacturan estos equipos a mejorar la eficiencia de los mismo para ser más competitivos, por lo que la eficiencia de los compresores dinámicos alcanza de 80% a 85% Por ultimo en los años 1990s, la eficiencia de éstos equipos alcanza valores de 90% al 92%, siendo este último el valor más alto alcanzado.

CLASIFICACIÓN Por el método de compresión, se clasifican en dos grupos; los compresores de desplazamiento reducción de la cámara de compresión, y los compresores dinámicos, donde la el cambio de presión del gas positivo, en los cuales el proceso de compresión del gas se realiza a través de la transferencia de energía cinética (velocidad) al gas. Los compresores dinámicos dependiendo de la dirección del caudal, se clasifican a su vez en radiales y axiales. Los compresores de desplazamiento positivo dependiendo del mecanismo de reducción de la cámara de compresión, se clasifican en compresores rotativos y reciprocantes. A continuación se presenta un esquema general de la clasificación de los compresores de mayor importancia.

Dinámicos

Centrífugos Axiales

Lóbulo Tornillo

Tipos de compresores

Rotativos

Anillo líquido Orbital Aspas

Desplazamiento positivo

Diafragma Reciprocantes

Doble efecto Simple efecto

Figura 3. Clasificación de los Compresores

El compresor radial está constituido por una o más ruedas impulsoras montadas sobre un eje y contenidas dentro de una carcasa. El aumento de presión se consigue por conversión de energía cinética. El principio de operación de un compresor centrífugo es similar al de un ventilador. El gas a baja presión y con baja velocidad, proveniente de la cámara de admisión, se introduce en la cámara de compresión en la dirección del eje del rotor, incidiendo en el impulsor. Una vez en el impulsor, el gas es forzado a salir radialmente hacia el exterior por la acción de los alabes del impulsor y por la fuerza centrifuga desarrollada en la rotación. El gas es descargado a una velocidad alta, habiendo experimentado un aumento de temperatura y presión. Cuando deja la periferia es conducido hacia los difusores, que están diseñados esencialmente para reducir la velocidad del gas. Estos dirigen el flujo hacia la entrada del siguiente impulsor o lo llevan a la descarga. El impulsor consta de un cierto número de álabes, que pueden ir dispuestos de varias formas, el parámetro fundamental que caracteriza el álabe de un impulsor es el ángulo de salida β y, según él, se clasifican los alabes en:  Alabes curvados hacia atrás, β90°.  Alabes de salida radial, β=90°. En los compresores de flujo axial el principio de compresión es el mismo que en los de flujo radial, la diferencia está en que en el flujo no cambia su dirección desde la admisión hasta la descarga. El gas entra en dirección axial, pasa a través de las aspas del compresor y es descargado de forma axial. Los compresores de flujo axial son maquinas dinámicas compuestas por la carcasa, el eje de rotación, los impulsores y el motor eléctrico. La carcasa incluye unas aspas estacionarias para direccionar el flujo a la siguiente etapa, sobre el eje de rotación se montan las aspas que a acelerar el gas, para ser posteriormente descargado.

TIPOS Y CARACTERISTICAS Entre los tipos de compresores dinámicos se encuentran 2 principales conocidos como axiales y centrífugos, recordando que por su estructura física, en la que se define una turbina como uno de sus elementos, se denominan turbo-compresores.

Compresores Centrífugos En ellos el flujo de gas es radial y la transferencia de energía se debe predominantemente a un cambio en las fuerzas centrifugas actuantes sobre el gas.

Características:  Las características de funcionamiento de un compresor centrífugo pueden expresarse, como en el caso de las bombas centrífugas, mediante curvas características que muestran la variación de la carga desarrollada (y del rendimiento) frente al caudal volumétrico, para cada velocidad de giro

Figura 4. Características Compresor Centrífugo

Compresores Axiales En ellos el flujo de gas es paralelo al eje del compresor. En ellos el gas es comprimido en pasos sucesivos. Cada paso está compuesto por una corona móvil solidaria al rotor y otra fija perteneciente a la carcasa. La energía se transfiere al gas en forma de momento cinético por la corona móvil, para pasar a continuación a la fija donde transforma su velocidad en presión. Características:  Consiste en un rotor de forma cilíndrica que gira dentro de una carcasa o estator 

El fluido de trabajo circula por el espacio anular entre el rotor y el estator pasando por hileras de álabes fijos y móviles



El aire es comprimido de manera que la máxima cantidad de portador de energía pueda ser usado en el mínimo espacio

Figura 5. Características Compresor Axial

El Impulsor Es la parte del elemento giratorio que imparte energía a la que fluye medio por medio de la fuerza centrífuga. Se compone de un número de cuchillas montado de manera que gire con el eje. Los impulsores se pueden clasificar de la siguiente manera: a. Cara abierta (Figura 6.A), sin encerrar cubierta, se podrá votar en uno pieza, fresado de una pieza forjada sólida, o construida a partir de piezas fundidas, piezas forjadas, o placas. b. De tipo cerrado (Figura. 6.B), con encierra cubierta y centro de disco, lo que se podrá votar en una sola pieza o construido a partir de piezas de fundición, forja, o placas. Las cuchillas pueden estar unidos a la tapa de disco y el cubo que encierra con separada remaches, remaches con mecanizan integral con las cuchillas o por soldadura.

A

B Figura 6. Tipos de Impulsores

También se puede mencionar los siguientes tipos de compresores:

Compresor Multi-caja. Cuando dos o más compresores están impulsados por un solo motor o turbina, la unidad combinada se denomina compresor multi-carcasa tren compresor.

Compresor Axial Multi Etapa Es una máquina que tiene dos o más filas de rotación paletas que operan en serie en un único rotor en una sola carcasa. la carcasa incluye los álabes estacionarios y los estatores para dirigir el aire o gas a cada éxito fila de álabes de rotación. Estas paletas o estatores pueden ser estacionarios ángulo fijo o variable, o una combinación de ambos. Este tipo de máquina generalmente tiene dos cojinetes, con el conductor acoplado al eje del compresor (Figura 7).

Figura 7 Compresor Axial de Flujo Único Multi-etapas

Compresor Centrífugo de Múltiples Etapas Compresor centrífugo de múltiples etapas es una máquina que tiene dos o más etapas. Tales compresores pueden ser descritos como: a. En línea: Todos los impulsores están en un solo eje y en una sola carcasa. El compresor de flujo único de este tipo se ve en la Figura. 8. Una unidad de doble flujo se ve en la Figura 9. Las unidades también pueden ser identificadas como internamente o externamente enfriadas, éste se muestra en la Figura 10. b. Íntegramente Engranados: Estas unidades cuentan con transmisión de engranajes toro con uno o más piñones. Los impulsores se montan por separado en uno o ambos extremos de cada piñón, y cada impulsor tiene su propia carcasa separada. Normalmente se utiliza sólo en el servicio de aire y nitrógeno, estas máquinas suelen tener provisión para enfriamiento externo entre las etapas. En pequeños al aire planta unidades, refrigeradores y los controles se empaquetan a menudo en la misma base que el compresor.

Figura 8. Compresor Centrifugo de Flujo Único Multi-etapas

Figura 9. Compresor Centrífugo Doble Flujo Multi-etapas

Figura 10. Compresor Centrifugo Multi-etapas de Flujo Único Externamente Refrigerado

FUNDAMENTOS TERMODINAMICOS Las leyes que rigen el funcionamiento de un compresor dinámico son: 

Conservación de la masa: En una reacción química o proceso ordinario la masa permanece constante, es decir, la masa consumida de los reactivos o pasada por procesos a través de equipos es igual a la masa obtenida.



Conservación del momento: Las ecuaciones de Navier-Stokes reciben su nombre de Claude-Louis Navier y George Gabriel Stokes. Se trata de un conjunto de ecuaciones en derivadas parciales no lineales que describen el

movimiento de un fluido. Estas ecuaciones gobiernan la atmósfera terrestre, las corrientes oceánicas y el flujo alrededor de vehículos o proyectiles y, en general, cualquier fenómeno en el que se involucren fluidos newtonianos. 

Conservación de la energía: Es la primera ley de la termodinámica la cuál afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema físico aislado (sin interacción con ningún otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía. “La energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra”.

CONSIDERACIONES BÁSICAS SOBRE EL FUNCIONAMIENTO Y OPERATIVIDAD El compresor centrífugo más sencillo es el suspendido, de una sola etapa. Los hay disponible para flujo desde 3000 hasta 150000 PCMS. El impulsor convencional, cerrado o con placas se utilizaría para cargas adiabáticas hasta de unas 12000(ft-lb)/lb. El impulsor abierto, de álabes radiales producirá más carga con los mismos diámetros y velocidad, sus variantes, con inductor o alabes tridimensionales producirá hasta 20000(ft-lb)/lb de carga. Se utilizan diseños similares, hechos con materiales más resistentes y a velocidades más altas, en aplicaciones especiales como compresores de aire con engranes integrales, para aplicaciones aerospaciales, en los turbocargadores para motores de combustión, compresores de carga, etc. El principio de operación de un compresor centrífugo es similar al de los ventiladores o bombas centrifugas. 

El vapor a baja presión y con baja velocidad, proveniente de la tubería de succión se introduce en la cavidad interna u ojo de la rueda impulsora a lo largo de la dirección del eje del rotor.



Una vez en la rueda, el vapor es forzado a salir radialmente hacia el exterior por laacción de los álabes del impulsor y por la fuerza centrífuga desarrollada en la rotación de la rueda.



El vapor es descargado a una velocidad alta, habiendo experimentado asimismo un aumento de temperatura y presión.



Cuando deja la periferia de la rueda es conducido a unos pasadizos situados en el cuerpo mismo del compresor y que están esencialmente diseñados para reducir la velocidad del vapor. Estos dirigen al vapor hacia la entrada del siguiente impulsor o, en el caso del último paso, lo descargan a una cámara desde donde el vapor pasa a la tubería de descarga hacia el condensador.

Los dos procesos que tienen lugar en el interior de un compresor son: 

Un aumento de la energía cinética del gas (presión dinámica), y también algo la estática. Este proceso tiene lugar en el impulsor.



Disminución gradual, sin turbulencias, de velocidad alcanzada por el gas en el impulsor, consiguiéndose como contrapartida una elevación de la presión estática, Este segundo proceso tiene lugar en el difusor.

Figura 11. Procesos del Difusor

Figura 12. Corte de un Turbocompresor con sus Partes

RENDIMIENTO El rendimiento de un compresor se plasma en una gráfica de rendimiento o mapa rendimiento (cualquiera de las pruebas o estimada), muestra el flujo, la relación de presión para cada una de 4 líneas de velocidades (un total de 23 puntos de datos). También se incluyen contornos de rendimiento constante. El rendimiento de los compresores centrífugo presentados en esta forma proporciona información suficiente para que coincida con el hardware representado por la gráfica a un simple conjunto de necesidades del usuario final.

Figura 13. Gráfica de Rendimiento de Compresores Centrífugos.

Comparando la estimación de rendimiento a través de gráficas, que es muy rentable (por lo tanto útil en el diseño), las pruebas, son costosas, aunque el método el más preciso. Además, pruebas de rendimiento compresor centrífugo son complejas. Las sociedades profesionales tales como ASME (es decir PTC-10, Fluid Manual Metros, PTC-19.x), ASHRAE (ASHRAE Handbook) y API (ANSI / API 617-2002, 672 a 2007) han establecido normas para los métodos experimentales y análisis detallados

de los resultados de las pruebas. A pesar de esta complejidad, algunos conceptos básicos en el rendimiento pueden ser presentados mediante una gráfica de rendimiento.

Graficas de Rendimiento Relación de presión y flujo son los principales parámetros que se necesitan para aplicar el mapa de rendimiento a un compresor. En este caso, se puede suponer que la temperatura de entrada es estándar del nivel del mar. Hacer esta suposición en un caso real sería un error importante. Una inspección detallada Figura 13 muestra: 

Líneas de velocidad constante: Los dos métodos más comunes usados para examinar los compresores centrífugos es poner a prueba a lo largo de las líneas de la velocidad del eje constante a lo largo de las líneas de aceleración constante. Si la velocidad del eje se mantiene constante, puntos de prueba se toman a lo largo de una línea de velocidad constante cambiando las posiciones del acelerador. En contraste, si una válvula de mariposa se mantiene constante, puntos de prueba son establecidos por el cambio de velocidad (la práctica de turbina de gas común). El mapa que se muestra en la Figura 13 ilustran el método más común; líneas de velocidad constante. En este caso vemos puntos de datos conectados a través de líneas rectas a velocidades de 50%, 71%, 87% y 100% RPM. Las tres primeras líneas de velocidad tienen 6 puntos cada uno, mientras que la línea de velocidad más alta tiene cinco.



Islas de eficiencia constante: La siguiente característica a tratar son las curvas de forma ovalada que representan islas de eficiencia constante. En la Figura X vemos 11 contornos que van desde la eficiencia de 56% (decimal 0,56) a 76% de eficiencia (decimal 0,76). Una práctica estándar general es interpretar esas eficiencias como isentrópico lugar de politrópico. La inclusión de islas de eficiencia genera eficazmente una topología de 3-dimensional a este mapa 2dimensional. Con una densidad especifica de entrada, proporciona una capacidad adicional para calcular la potencia aerodinámica. Líneas de potencia constante podría fácilmente ser sustituidos.



Punto de diseño (s) o punto de garantía (s): Históricamente, se necesitaban compresores centrífugos aplicados a aplicaciones industriales para lograr un rendimiento a un flujo y presión específica. Compresores industriales modernos a menudo son necesarios para alcanzar los objetivos específicos de rendimiento en una amplia gama de flujos y presiones.

Ventajas de los Compresores Centrífugos 1. En el intervalo de 2 000 a 200 00 ft 3/min y según sea la relación de presión, este compresor es económico porque se puede instalar una sola unidad.

2. Ofrece una variación bastante amplia en el flujocon un cambio pequeño en la carga. 3. La ausencia de piezas rozantes en la corriente de compresión permite trabajar un largo tiempo entre intervalos de mantenimiento, siempre y cuando los sistemas auxiliares de aceite lubricante y aceite de sellos estén correctos. 4. Se pueden obtener grandes volúmenes en un lugar de tamaño pequeño. Esto puede ser una ventaja cuando el terreno es muy costoso. 5. Cuando se genera suficiente vapor en el proceso un compresor centrífugo será adecuado para moverlo con una turbina de vapor de conexión directa. 6. Su característica es un flujo suave y libre de pulsaciones.

Desventajas de los Compresores Centrífugos 1. Los centrífugos son sensibles al peso molecular del gas que se comprime. Los cambios imprevistos en el peso molecular pueden hacer que las presiones de descarga sean muy altas o muy bajas. 2. Se necesitan velocidades muy altas en las puntas para producir la presión. Con la tendencia a reducir el tamaño y a aumentar el flujo, hay que tener mucho más cuidado al balancear los rotores y con los materiales empleados en componentes sometidos a grandes esfuerzos. 3. Un aumento pequeño en la caída de presión en el sistema de proceso puede ocasionar reducciones muy grandes en el volumen del compresor. 4. Se requiere un complicado sistema para aceite lubricantes y aceite para sellos.

MANEJADORES (DRIVERS) El manejador o driver, es el encargado de generar y transmitir la energía mecánica necesaria por los compresores para su funcionamiento, ya sea turbina o motor, es una parte importante de cualquier instalación de sistemas compresores. Requiere una adecuada selección y debe estar emparejado al compresor para garantizar una instalación satisfactoria. Es preferible que el fabricante del compresor seleccione el driver y presentar una unidad completa, incluyendo el compresor, conductor, sistema de lubricación, sistema de sello, de acoplamiento, y el control, de modo que todos los elementos pueden ser adecuadamente coordinados. Por lo tanto un fabricante asume la responsabilidad por el paquete completo.

Figura 14. Diagrama Driver-Compresor

La selección del tipo de driver está determinada por el requisito de servicio del compresor, las condiciones en el sitio propuesto, la disponibilidad y la economía de la electricidad y diversos tipos de combustibles o gases residuos de proceso. Entre los manejadores más usados para compresores centrífugos tenemos: 1. Turbinas de vapor 2. Motores eléctricos 3. Turbinas de expansión de gas 4. Turbinas de combustión de gas 5. Motores de combustión interna

Figura 15. Turbocompresor

Figura 16. Turbina a Vapor

Figura 17. Motor eléctrico

Figura 18. Motor de combustión interna

PROTECCIONES Estrangulamiento del Compresor o Efecto Stonewall (Choke) Es una condición de operación anormal del compresor. Esta ocurre cuando el compresor trabaja a bajas presiones de descargas y muy altos niveles de caudal. Esto lleva a un incremento de la velocidad del fluido en el compresor, el cual puede ocurrir hasta que alcance su máxima velocidad cerca de la velocidad del sonido (mach 1), esto define el máximo caudal que el compresor puede manejar. Esta limitación de flujo máximo es debida a la gran turbulencia, ondas de choque y separación de flujo que ocurren cuando la velocidad del gas (con relación a la superficie del impulsor) se aproxima mucho a la velocidad sónica (mach 1) en algún punto dentro del impulsor. Los diseñadores de compresores normalmente limitan la velocidad del gas, con relación a la superficie de los álabes en este lugar crítico, a menos de mach 0,85 (preferiblemente por debajo de 0.75) al flujo nominal del compresor. Generalmente no existen razones de procesos para que un compresor opere en la región de velocidad sónica. Esto puede ocurrir si la línea y la válvula de reciclaje

están sobredimensionadas, haciendo que se imponga una presión anormalmente baja en la línea de descarga. Cuando se prueba un compresor con aire sin estrangulamiento en la descarga éste operará en velocidad sónica si la boquilla de descarga no impone una contrapresión significativa. Una de las características de este fenómeno es que no se limita al compresor donde ocurre sino que se transmite a otras etapas, cuando se habla de un tren de compresión. Para evitar que este fenómeno ocurra, suele aplicarse válvulas antiestrangulamientos, las cuales al detectar bajas presiones, se bloquean para que la presión incremente a sus valores normales de operación, también de forma automatizada se aplican controladores de presión sobre válvulas analógicas o ajustables, que cumplan con el mismo efecto antes mencionado.

Oleaje (Surge) del Compresor o Golpe de Ariete Es un fenómeno que se presenta en los sistemas de aire comprimido, es peligroso porque causa que el compresor vibre en gran magnitud y es perjudicial debido a que causa un gran daño a las partes internas del compresor. Este se refiere a la incapacidad del compresor para mantener el incremento de la presión con caudal reducido. Al iniciarse el oleaje, el compresor pierde de repente su capacidad de desarrollar la presión existente en la tubería de descarga, y el gas se regresa a través del compresor del sistema de descarga al de succión. La transferencia de masa desde la descarga hasta la entrada baja la relación de presión a un nivel en donde el compresor es capaz de suministrar la carga requerida nuevamente el flujo positivo hacia adelante. A medida que el gas se mueve desde el lado de entrada hacia el de descarga, la relación de presión aumenta nuevamente y el caudal disminuye, volviéndose a repetir el fenómeno. Se manifiesta físicamente de la siguiente manera: 

El flujo invierte su dirección de 20 a 50 milisegundos.



Los ciclos de surge son de razón de 0,3 a 3 seg. por ciclo.



La temperatura aumenta.



Ruido impetuoso del compresor.



Pueden ocurrir paros del compresor.



La instrumentación convencional y los operadores pueden fallar en reconocer el surge.

Figura 19. Representación gráfica del comportamiento en el tiempo del flujo, presión y temperatura durante un surge.

Entre sus consecuencias podemos decir lo siguiente: 

El flujo neto en dirección hacia adelante cesa o se reduce enormemente, interfiriendo así con la operación útil de proceso.



Las fluctuaciones de presión producen inversiones de dirección del empuje hidráulico en el rotor del compresor, las cuales pueden sobrecargar el cojinete de empuje, hasta el extremo de fallar en algunos casos.



Las inversiones de flujo hacen que las válvulas de retención se cierran de golpe, produciendo fuertes ruidos, vibración en la tubería y escapes en las bridas.



Los ciclos de oleaje pueden imponer el suficiente par motor (torque), inversión sobre el rotor del compresor (ya que éste actúa como expansor) como para provocar fluctuaciones abruptas de velocidad, interrumpiéndose por consiguiente el control de velocidad y corriéndose el riesgo de dañar los acoplamientos, los impulsores y componentes del elemento motor (por ej. Los engranajes).

 

Las fluctuaciones de presión del sistema producen inestabilidad en el flujo del sistema de proceso y en los controles de presión, lo cual puede con igual facilidad aumentar los efectos de oleaje del compresor como atenuarlos. Las fluctuaciones de presión hacen que las presiones del sistema de sello del eje sean cíclicas, conduciendo algunas veces a la falla de dicho sello.



La operación sostenida bajo condiciones de oleaje puede causar fallas mayores del compresor como consecuencia de la falla del cojinete de empuje, falla del impulsor falla del sello, o de incendio resultante de escapes en las bridas.



En vista de que el oleaje siempre interrumpe el sistema de proceso y arriesga el equipo a mayores daños, el mismo debe evitarse mediante la provisión de sistemas automáticos de control de oleaje. Los sistemas de control de oleaje utilizan válvulas de control en líneas de reciclaje para servicios de gas y en venteos atmosféricos para el servicio de aire. El flujo se detecta con sensores, sea en la línea de entrada o en la descarga del compresor.



El regulador comienza a abrir la válvula de reciclaje cuando el caudal baja al punto de antioleaje.

Para proteger al compresor de este efecto, se instalan válvulas de reciclo, que conecta la descarga con la succión, al haber descompensación en el flujo de succión, el controlador actúa sobre la válvula regulando su apertura, para así devolver la variable a su valor mínimo permitido de operación.

Figura 20. Grafica de Rendimiento de Compresor

En la Figura 20 se observa la línea de surge(amarilla), la zona de operación(azul), constituida por las líneas de velocidad y las islas de eficiencia, la línea de Stonewall (verde).

Figura 21. Mapa del Compresor.

CONCLUSIONES De la realización del presente trabajo y acorde a lo estudiado se pudo obtener las siguientes conclusiones: 

Al conocer las definición de los compresores dinámicos, su uso en las industrias, y la evolución historia, se puedo entender mejor el papel fundamental que tiene en las industrias y su importancia en la misma, Planteando así un panorama de la función a cumplir de un ingeniero con respecto a éstas máquinas, sobre todo desde el punto de vista del presente curso, ya que se debe conocer el proceso a controlar para poder realizar un control acertado.



Los compresores centrífugos son el tipo que más se emplea en la industria de procesos químicos porque su construcción sencilla, libre de mantenimiento permite un funcionamiento continuo durante largos periodos.



Identificar el mecanismo de compresión en un compresor es de vital importancia, de esta manera la elección del compresor se puede hacer de manera correcta dependiendo de la aplicación que se le dará. La selección de un compresor tiene que ver en gran parte con la economía del mantenimiento futuro que se le dará a la máquina, razón por la cual los compresores centrífugos son de uso abundante pues al presentar pocos componentes rozantes, requieren de menor mantenimiento.



Al conocer el rendimiento de los compresores centrífugos, como se especifica y sus ventajas y desventajas, se puede dar un uso correcto en la industria y de ésta manera prevenir fallas y hacer un uso correcto de los recursos que ofrecen estas máquinas.



El funcionamiento de los compresores dinámicos, de tipo axial los cuales comprende un compresor y una turbina dependientes, con un flujo del aire controlado por los álabes en posición preestablecida controladas desde el manejador, para el funcionamiento de la turbina.



A su vez, los compresores centrífugos quienes por la acción de la fuerza centrífuga, comprimen el aire y a través de un difusor son dirigidos a la salida de la carcasa, la aplicabilidad de ambos turbo compresores, aclarando que su nombre deriva de la constitución de sus partes físicas, estos presentan costos elevados para la industria, pero un rendimiento con aumento notable en la producción.



Es importante mencionar los fundamentos termodinámicos que se observan en el proceso con el uso de compresores centrífugos donde la cantidad total de energía en cualquier sistema permanece invariable con el tiempo, aunque

dicha energía puede transformarse en otra forma de energía. “La energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra”. Así mismo sucede con la conservación de la masa, la cual permanece constante, es decir, la masa consumida de los reactivos o pasada por procesos a través de equipos es igual a la masa obtenida. 

Por su parte, los manejadores o drivers, deben ser seleccionados de manera minuciosa, basados en las características del compresor o proceso a servir, teniendo en cuenta también factores externos como las limitaciones económicas y la versatilidad disponible de los tipos de energía.



Como todo equipo o máquina que sirve un propósito, los compresores centrífugos deben protegerse contra fenómenos relacionados con sus principios de funcionamiento, que no son deseados debido a que estos generan graves daños y recortan enormemente la duración de la vida útil de estos.



Entre estos fenómenos se encuentran el surge (oleaje) y el estrangulamiento (choke o efecto stonewall). Los elementos de protección contra estos fenómenos no deseados, en su mayoría consisten en controladores electrónicos sobre válvulas porcentuales, aunque también existen otros métodos para regularlos, como el reciclo para el surge o las válvulas anti estrangulamiento para evitar las velocidades sónicas del choke.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS          

Compressed Air and Gas Handbook – Compressed Air and Gas Institute (CAGI) – 6ta Edición Compresores Centrífugos: Aspectos Energéticos – E. Torrella Centrifugal Compressor Evolution – J. Sorokes, M. Kuzdzal – Dresser-Rand Company Compresores: Selección, Uso y Mantenimiento – R. Greene – McGraw Hill Trabajo sobre compresores centrífugos. Y. Corro. Venezuela Centrifugal Compresor Surge – Articulo en línea – Disponible en: http://www.enggcyclopedia.com/2012/01/centrifugal-compressor-surge/ CentrifugalCompressorChoke – Articulo en línea – Disponible en: http://www.enggcyclopedia.com/2012/01/centrifugal-compressor-choke/ CentrifugalCompressor – Articulo en línea – Disponible en: http://en.wikipedia.org/wiki/Centrifugal_compressor Compresor de Aire - – Articulo en línea – Disponible en: http://www.es.ritchiewiki.com/wikies/index.php/Compresor_de_aire