Eficiencia y Ecología juntas con el programa KAESER CARBÓN CERO

En esta nota vamos a hablar de los compresores de aire con bloque helicoidal asimétrico de dos rotores lubricados.

Generalidades

El bloque compresor helicoidal de dos rotores, es una máquina rotativa de desplazamiento positivo, en la que la compresión del aire se efectúa mediante dos rotores (husillos roscados).

Bloque helicoidal asimétrico de dos rotores lubricado

El rotor conductor tiene cuatro o cinco dientes helicoidales, y engrana con seis celdas o cámaras de trabajo, igualmente helicoidales, del rotor conducido, alojados ambos dentro del estator. Para asegurar el cierre hermético de las cámaras de trabajo y, por lo tanto, la separación de las cavidades de aspiración e impulsión del compresor, la sección transversal de los dientes ha evolucionado desde un perfil circular, hasta perfiles cicloidales, en orden a mejorar el funcionamiento mecánico y dinámica de los rotores.

El perfil del tornillo conductor es convexo, mientras que el del conducido es cóncavo; el rotor conductor, conectado al eje motor, gira más rápido que el conducido en una relación, 6/4 = 1,5 o 6/5 = 1,2.

Etapas de compresión del bloque helicoidal asimétrico de dos rotores lubricado

El aire que penetra por la cavidad de aspiración, situada en uno de los extremos del compresor, llena por completo cada una de las cámaras de trabajo helicoidales del rotor conducido.

El aire que penetra por la cavidad de aspiración, situada en uno de los extremos del compresor, llena por completo cada una de las cámaras de trabajo helicoidales del rotor conducido. Durante el giro de los rotores, las cámaras de trabajo limitadas entre los filetes de los rotores y las superficies internas del estator, dejan de estar en comunicación directa con la cavidad de aspiración y se desplazan junto con el aire a lo largo de los ejes de rotación. En un momento determinado, cada cámara de trabajo se cierra por uno de sus extremos mediante uno de los cuatro dientes del rotor conductor, quedando así atrapado un volumen de aire V₁, que queda desconectado de la aspiración a la presión p₁ (fin de la fase de admisión), comenzando la etapa de compresión; al proseguir la rotación, el volumen se va reduciendo hasta que se pone en comunicación con la lumbrera de escape, alcanzando un valor V₂ a la presión p₂, momento en que se produce el fin de la fase de compresión y comienzo de la de escape.

El perfil de los rotores helicoidales es tal que los conducidos se descargan completamente; el husillo conductor es el que realiza el trabajo de desplazamiento, actuando al mismo tiempo como rotor y como desplazador. El husillo conducido tiene la misión de separar las cavidades de admisión e impulsión, pero sin desalojar al aire.

Cada una de las cámaras de trabajo se comporta como si el cilindro fuese un compresor alternativo, en donde cada diente del rotor conductor hace las veces de pistón, que primero cierra y después comprime el volumen inicialmente atrapado V₁, por lo que un compresor helicoidal no es sino un compresor alternativo de seis cilindros helicoidales, en el que se han eliminado el cigüeñal, el espacio nocivo y las válvulas de admisión y escape.

Funcionamiento

El proceso se puede descomponer en cuatro partes:

a) Aspiración, que consiste en el llenado progresivo de una cámara de trabajo de volumen V₁
b) Desplazamiento a presión constante, de forma que, al continuar la rotación, la cámara de trabajo que contiene el volumen de aire V1 se mueve circunferencialmente sin variar el volumen.
c) Compresión, en la que cada diente del rotor conductor engrana con el extremo de cada cámara de trabajo en cuestión, decreciendo progresivamente su tamaño hasta que, cuando su valor es V₂, se pone en comunicación con la cavidad de escape.
d) Escape, en el que, al proseguir el giro, el volumen disminuye desde V₂ a cero, produciéndose la expulsión del aire a la presión de salida p₂.

Relación de compresión de diseño

En los compresores de dos rotores, se cumple que:
p₁. V₁ = p₂. V₂
p₂ / p₁ = (V₁ / V₂)
La expresión, Rc= P₂ / P₁ es la relación de compresión de diseño que un fluido. este caso el aire.

Cualquier compresor volumétrico, (sin válvula de admisión), genera siempre una relación de compresión de diseño Rc fija y constante para el aire. Cuando la cámara de trabajo se reduce a cero al final de la fase de escape (espacio muerto nulo), el volumen de aire aspirado en la siguiente fase de aspiración es constante, y depende únicamente de la geometría y velocidad del compresor.

Presión final de compresión

Para conseguir el máximo rendimiento del compresor helicoidal, la presión generada en los canales helicoidales del rotor conducido tiene que ser exactamente igual a la presión existente en el escape; de no ser así se producirían pérdidas internas que aunque no perjudican al compresor, ni merman significativamente su capacidad volumétrica, aumentan la potencia consumida reduciendo el rendimiento final; estos compresores se seleccionan teniendo en cuenta la relación de compresión Rc, sabiendo que también van a funcionar de modo satisfactorio fuera de la relación elegida consumiendo más de energía.

Cuando la presión p₂ de diseño del compresor seleccionado no coincide con la presión de descarga pc, se pueden dar los siguientes casos:
a) Si pc = p₂ la compresión se realiza según el ciclo indicado (1-2-b-c-1), cuya superficie representa el trabajo teórico consumido por el compresor.
b) Si Pc es mayor a p₂ cuando el volumen de la cámara de trabajo alcanza el valor V₂ se pone en comunicación con la lumbrera de escape, produciéndose un reflujo de aire desde la cavidad de alta presión hacia la celda de volumen V₂, que de modo casi instantáneo eleva la presión en el interior desde p₂ a Pc.

Diagrama teórico de un compresor helicoidal asimétrico de dos rotores lubricado

La entrada del volumen (3-4) de aire que proviene de la parte de alta, finaliza la compresión hasta pcs, objetivo que el compresor por sí solo no habría podido conseguir. Como el eje del motor sigue girando, la cámara llena de aire a la presión Pcs disminuye su volumen en la fase de descarga desde V₂ hasta el valor cero según (3-c). El área (1-2-3-c-a-1) del diagrama indicado representaría el trabajo mecánico de la compresión realizada; si el valor de Rc hubiera coincidido con haber existido una válvula de escape en lugar de lumbrera, la compresión hubiese proseguido sin problemas hasta pcs según (2-4) y el área (1-2-4-c-a-1) habría representado el trabajo mecánico consumido por el compresor. En consecuencia, el área (2-4-3-2) representa el trabajo adicional consumido, pérdida que supondrá una disminución de la eficiencia volumétrica.

A pesar de estos aspectos negativos, los compresores volumétricos rotativos tienen unos valores del rendimiento volumétrico cercanos a la unidad (inexistencia de espacio muerto), lo que hace que los circuitos diseñados con este tipo de compresores tengan siempre valores de la eficiencia iguales o superiores a los alcanzados con los alternativos. El fabricante tiene que proporcionar para cada compresor, trabajando en determinadas condiciones de funcionamiento, ambientales y operativas, los datos de la potencia eléctrica consumida correspondiente a la relación de volúmenes de aceite) y el calor eliminado al exterior y la temperatura del aire comprimido al exterior por condensación. Son bastante silenciosos.

Lubricación

Para asegurar el sellado de las holguras entre los perfiles en contacto se utiliza aceite lubricante, lográndose así un desgaste despreciable de las partes móviles, por no existir contacto entre ellas.

Lo rotores se diseñan con holguras tan pequeñas con la necesidad del aceite sellador y con la ventaja de que el aire circula por todo el circuito de aire y, en particular, pudiéndose incrementar la presión en la aspiración del compresor y simplificando la instalación al eliminar la bomba y el circuito del aceite.

Funciones del aceite lubricante en un compresor helicoidal asimétrico de dos rotores lubricado

El aceite utilizado en estos compresores tiene como misión:
a) Enfriar, absorber el calor desarrollado en la compresión por contacto directo con el aceite saliendo la temperatura de escape y el calor a disipar por el post enfriador.
b) Sellar, las holguras de las partes en movimiento.
c) Limpieza, transportar las partículas aspiradas en la admisión del bloque compresor al filtro de aceite, lo que significa limpieza y filtrado del circuito de aceite.
d) Lubricar, a pesar de que, excepto en el arranque, no existe contacto metálico alguno entre los dos rotores entre sí y entre éstos y la carcasa o estator.

El circuito de lubricación incluye un enfriador de aceite, (utilizando aire o agua como elemento refrigerante), un separador de aire- aceite a la descarga del bloque compresor, filtro de aceite y un elemento termostático para mantener la temperatura final de compresión en 70°C, sin bomba de aceite, ya que en funcionamiento normal la circulación del aceite está asegurada por la diferencia de presiones, p₂ – p₁ del diagrama.

Ventajas

• Se pueden alcanzar en una etapa relaciones de compresión altas hasta 15 bar(g), sin necesidad de enfriamiento intermedio.
• No tienen espacio muerto perjudicial.
• Pueden manejar sin ningún peligro volúmenes de aire, posibilidad que no tienen los compresores alternativos y centrífugos.
• Ausencia de pulsaciones.
• Mínimo desgaste de sus componentes giratorios.

Campo de utilización

Los compresores de tornillo de una sola etapa se sitúan, en cuanto a producción de aire comprimido, abarcando la siguiente gama de prestaciones del orden de 5.200 m³/h. Estos compresores, se utilizan en instalaciones industriales con presiones máximas del orden de 15 bar(g). La tendencia es su aplicación a volúmenes de desplazamiento en velocidad variable en el orden de 3.900 m³/h.

Rango de aplicación de un compresor helicoidal asimétrico de dos rotores lubricado

Para más información de nuestros productos visite nuestra página web de KAESER Compresores de Argentina

IR AL SITIO

Fotos fuente Kaeser Kompressoren