Sopladores lobulares, a tornillos y turbo soplantes: el número de tecnologías y tipos de máquinas para la producción de aire comprimido es muy amplio.

El usuario busca conveniencia, confiabilidad y eficiencia a largo plazo para el tratamiento de aguas se afronta a una elección para realizar una ingeniería inteligente y un diseño correcto antes de tomar una decisión.

Los proyectistas de sistemas que trabajan en los sectores del tratamiento biológico de aguas residuales, fermentación o flotación pueden utilizar un amplio espectro de soplantes diferentes. No solo existen tecnologías y máquinas diferentes, sino también distintas denominaciones para un mismo tipo de máquina, lo cual puede llevar a desconciertos. Generalmente los más usados son los sopladores lobulares, a tornillos y los turbo soplantes, que funcionan con presiones diferenciales entre 0,4 y 1,0 bar y producen caudales volumétricos de hasta 250 m³/min.

Diferencias tecnológicas

En el sector de la baja presión conviven principalmente dos tecnologías para la compresión de aire libre de aceite: los sopladores volumétricos y los dinámicos.

Figura 1: Sopladores lobulares, a tornillos y turbo soplantes

Entre los del tipo volumétrico de dos ejes encontramos los sopladores lobulares y a tornillos, también llamados sopladores Roots. Actualmente se llama sopladores a tornillos a compresores de tornillos de una etapa libres de aceite que se han optimizado para el campo de la baja presión.

Si observamos la geometría de los rotores, las diferencias entre ambos tipos de sopladores son evidentes. En las del tipo lobular, el rotor principal y el secundario tienen la misma sección. Por ejemplo, los dos son de trilobulares, y giran en paralelo.

Figura 2: Corte de un soplador trilobular y del desarrollo de la compresión que tiene lugar dentro de ella.

El volumen del aire encerrado entre los cilindros y los lóbulos de los rotores permanece constante durante el giro de los rotores, esto es, durante la compresión. En termodinámica, este proceso se denomina compresión isocórica. La presión en la tubería de procesos se va formando por el empuje constante de moléculas de aire contra las resistencias que encuentran en el proceso posterior al soplador.

Los sopladores del tipo lobular son máquinas robustas aplicadas para presiones diferenciales entre 0,2 y 0,5 bar. Los modelos con velocidad variable pueden alcanzar fácilmente un campo de regulación de 1:3. Dependiendo del tamaño, estas máquinas funcionan con una velocidad en el eje del rotor de entre 2.000 y 6.000 rpm. Desde la aparición de los sopladores a tornillos en el mercado, en el rubro de fabricación hidráulico son aplicados los de lóbulos para bajas presiones y tiempos de conexión cortos, por ejemplo, para el lavado de filtros.

La optimización energética de los soplantes lobulares ha tocado techo, ante la demanda de ahorro y de mejora del rendimiento, hace unos diez años se inició el desarrollo de los sopladores a tornillos.

La optimización energética de los soplantes lobulares ha tocado techo, ante la demanda de ahorro y de mejora del rendimiento, hace unos diez años se inició el desarrollo de los sopladores a tornillos.

Figura 3: Corte de un soplador a tornillos con compresión interna.

Estos sopladores tienen rotores en forma de tornillo que engranan entre sí. El aire de aspiración queda encerrado en las ranuras existentes entre los rotores, cuyo volumen se va reduciendo con el giro hasta que se expulsa por la lumbrera de salida. La compresión que se produce es una compresión interna, debida a la reducción del volumen, que es la que hace subir la presión. El empuje de un volumen de aire ya reducido hacia la tubería de procesos, que cuenta con su propia presión, exige menos trabajo, lo cual ahorra energía, sobre todo a presiones elevadas. Para conseguir el máximo ahorro posible de energía, los fabricantes ofrecen versiones del bloque soplante optimizados para distintos campos de presión con el fin de que la presión generada internamente y la presión de servicio necesaria para el proceso cubran al máximo posible.

Los sopladores a tornillos son máquinas de altísima eficiencia recomendadas para presiones diferenciales de 0,4 a 1,1 bar y que pueden alcanzar un campo de regulación del caudal volumétrico de 1:4. En las versiones con variador de velocidad integrado consiguen un rendimiento notablemente mayor que se mantiene constante incluso con oscilaciones de presión y del caudal volumétrico. Los sopladores de tornillo más modernos, cubren hoy en día un campo de caudal volumétrico desde 5 m³/min a 165 m³/min. La velocidad en el eje del compresor oscila normalmente entre 3.000 y 12.000 rpm dependiendo del tamaño de la máquina.

En tecnología hidrológica, estas máquinas son perfectamente adecuadas para la ventilación, una aplicación que exige altas presiones, largos tiempos de conexión y precisa un amplio campo de regulación. Ambos tipos de sopladores tienen en común que el caudal volumétrico apenas varía con las oscilaciones de la presión, incluso aunque no se adapte la velocidad.

Pero existen límites para el tamaño de los sopladores volumétricos, así como límites de espacio y económicos. Ese es el punto en el que entran en escena los sopladores dinámicos, los turbo soplantes.

En el sector del tratamiento de aguas, las turbo soplandores suelen ser compresores radiales de una sola etapa. La velocidad del aire a la salida de la turbina en dirección tangencial sube mucho para luego descender de nuevo en el difusor, donde se convierte en presión. Las distintas geometrías de las turbinas y las carcasas influyen en la capacidad de aspiración, la velocidad tangencial y la desviación del caudal (por la forma de los álabes) y sirven para adaptarse a cualquier presión y caudal volumétrico.

Desde los años 1.960, los turbo soplantes han tenido muy buena aceptación. Su diseño cuenta con un motor asíncrono de corriente trifásica de velocidad constante (normalmente 3.000 rpm), que se convierte por medio de engranajes a velocidades fijas de 20.000 a 30.000 rpm en el eje de la turbina. Su capacidad de aspiración se modifica ajustando el distribuidor de la turbina en la entrada de aire. En caso de que sea necesario se ajusta la dinámica del caudal en la salida a la presión de cada momento, instalando un difusor ajustable con distribuidor en el lado de salida del aire. Su lubricación forzada, el sistema de engranajes y la complejidad de los distribuidores ajustables pueden producir un mantenimiento más intensivo del sistema.

Desde hace unos 15 años el uso más frecuente de convertidores de frecuencia y de motores high-speed dio un impulso al desarrollo del turbo soplantes de accionamiento directo, que funcionan también con velocidades de 2.000 a 30.000 rpm, pero sin engranajes. En lugar de la lubricación forzada para los rodamientos del eje, la ingeniería europea eligió los rodamientos del tipo magnéticos, mientras que la asiática optó por la tecnología rodamientos neumáticos.

Comparando con los sopladores volumétricos, el rendimiento máximo de los sopladores dinámicos alcanza un campo más reducido llamado “sweet zone” o área con mayor eficiencia, la influencia de la presión y el caudal volumétrico es mayor.

Figura 5: Comparativa de eficiencia isentrópica y caudal volumétrico entre turbo sopladores y sopladores a tornillos.

El caudal volumétrico también varía más en lo sopladores dinámicos según la presión. Su campo de regulación puede reducirse fácilmente del 1:3 inicial hasta el 1:2.

Figura 6: Comparativa de caudal volumétrico y el diferencial de presión entre turbo soplador y sopladores a tornillos.

El límite de bombeo (surge line) actúa como límite inferior, ya que, cuando se alcanza, el aire produce fuertes pulsaciones al avanzar y retroceder, lo cual causa inmediatamente fuertes vibraciones que pueden provocar daños en componentes de la máquina. Deben evitarse subidas repentinas de la presión con bajo caudal volumétrico que hagan que el turbo soplante caiga por debajo del límite de bombeo. Los turbos sopladores con rodamientos neumáticos necesitan para funcionar una velocidad mínima superior, lo cual limita de entrada su campo de regulación, con frecuencia en una relación 1:2. Las plateas que sujetan a los rotores de los rodamientos neumáticos están lubricados y tienen limitado el número de arranques por hora. Después de cada parada deben dejarse enfriar hasta 20 minutos o bien dejar la máquina en marcha en vacío descargando el aire de proceso.

En cambio, los sopladores con rodamientos magnéticos no tienen límite en la frecuencia de arranques por hora. Además, los rodamientos magnéticos pueden reconocer las desviaciones del rotor causadas por las oscilaciones de la presión o por impurezas en la turbina y compensarlas inmediatamente.

Dada la mayor dependencia que presenta el caudal volumétrico de la presión, los sopladores dinámicos son menos adecuados para las aplicaciones en las que la presión varía y el caudal volumétrico debe permanecer constante, como sucede en el transporte neumático de materiales a granel. Son apropiados para la tecnología hidrológica, ya que las presiones son relativamente constantes, la demanda de aire es alta y los tiempos de conexión son largos. Los turbos sopladores son máquinas muy compactas, pero deben tenerse en cuenta en la selección posibles accesorios como filtros de aire, silenciadores, difusores, válvulas de retención y compensadores.

Fotos fuente: KAESER Kompressoren.