Compresores Rotativos

Los compresores rotativos, consiguen aumentar la presión mediante el giro de un rotor. El aire se aspira y se comprime en la cámara de compresión gracias a la disminución del volumen que ocupa el aire. Los hay de paletas, de tornillo y el turbocompresor.

Compresor de Paletas: Son muy silenciosos y proporcionan un nivel de caudal prácticamente constante. Hay dos grupos de compresores de paletas rotativas, el primero lo forman los compresores de paleta en seco, los cuales van exentos de aceite pero sólo pueden operar con presiones bajas de hasta 1,5 bares.

El otro grupo, lo forman los compresores rotativos de paletas lubricadas, y estos  alcanzan presiones finales mayores, de hasta 11 bares.  Los compresores rotativos de paleta tienen generalmente un rendimiento superior a los compresores de tornillo, generalmente con una diferencia en cuanto a eficiencia de un 25% en favor del compresor de paletas.

El principio de funcionamiento es muy simple. El rotor, la única pieza en movimiento constante, dispone de una serie de ranuras con paletas deslizantes que se desplazan por su interior. Las paletas se realizan de una aleación especial de fundición, y van lubricadas en aceite como el resto de componentes, cuando son compresores lubricados.

El rotor, que está montado con cierta excentricidad dentro de la carcasa cilíndrica o estator, al girar genera una fuerza centrífuga que desplaza a las paletas de las ranuras contra las paredes de la carcasa formándose células individuales de compresión. La rotación reduce el volumen de la célula, por lo que se consigue aumentar la presión del aire contenido.

El calor que genera la compresión se controla mediante la inyección de aceite a presión, necesario para la lubricación del rotor y las paletas.

El aire a alta presión se descarga cuando las paletas en su rotación pasan por el puerto de salida. Junto al aire se arrastran restos de aceite procedentes de la lubricación que deben ser eliminados por el separador de aceite a situar 'aguas abajo'.

Recuperación de calor: El aire comprimido genera calor. De hecho, los compresores de aire de tamaño industrial generan una cantidad sustancial de calor que se puede recuperar y poner en funcionamiento. Más del 80 por ciento de la energía eléctrica que va a un compresor se convierte en calor disponible. El calor se puede recuperar y utilizar para producir agua o aire calientes.

Compresor de Tornillo

El compresor de tornillo es una máquina, que por medio de dos tornillos (hembra y macho) comprime el aire. Empezando con el motor que transmite energía mecánica a la caja o depósito del compresor a través de una polea. Al momento que los tornillos empiezan a girar, crean una succión por la toma de aire mientras va aumentando la presión del mismo a través de las cavidades. Es un compresor de desplazamiento que se constituye de dos rotores en forma de tornillo paralelos y que giran en sentido contrario uno del otro, quedando todo el conjunto encerrado dentro de una carcasa. La relación de presión dependerá de la longitud y paso del vástago del tornillo, así como la forma dada al difusor donde se descarga el aire.

Asimismo, la relación de presión máxima estará limitada por el incremento de temperatura que se origina con la compresión de tal forma que no afecte a la alineación de los rotores. Por ello, cuando se necesite de grandes relaciones de compresión se deberá utilizar varias etapas de compresión (en cada etapa, un compresor de tornillo), intercalando equipos de refrigeración del aire a la salida de cada etapa.

Por otro lado, estos rodamientos van situados fuera de la carcasa, y como tampoco existe contacto de la carcasa con los rotores, ni entre los rotores entre sí, no se necesita sistema de lubricación en este tipo de compresores, y por lo tanto, el aire comprimido producido es libre de aceite.

No obstante, también se fabrican compresores de tornillos lubricados mediante la inyección del líquido lubricante (generalmente aceite, aunque también se puede emplear agua o polímeros) a través de las paredes de la cámara de compresión o carcasa, como se ve en la figura siguiente sombreado de rojo (Figura lado izquierdo: Compresor de tornillo lubricado).

Con ello se consigue reducir el incremento de temperatura que se produce con la compresión, y conseguir grandes relaciones de compresión (de hasta 14 y 17 bares) en una sola etapa, aunque a costa de perder eficiencia. 

Los compresores de tornillo con respecto a los compresores de pistón alternativos, tiene funcionamiento silencioso y suministro continuo, mayor fiabilidad y eficaciencia energética.

En los compresores de tornillo rotativo con inyección de lubricante, los lubricantes están diseñados para enfriar, sellar y lubricar las partes móviles para un mejor rendimiento y un desgaste más prolongado. Las consideraciones importantes para los lubricantes de compresores incluyen la aplicación adecuada y la compatibilidad con el equipo de bajada, incluidas las tuberías, mangueras y sellos. Un lubricante puede ser instalado cerca de un punto-de uso para artículos tales como lubricar las herramientas neumáticas. El lubricador puede combinarse con un filtro y un regulador de presión para formar lo que comúnmente se llama FRL (filtro-regulador-lubricador). El lubricante debe ser el especificado por el fabricante del equipo en el punto de uso.

Secadores: Cuando el aire sale de un post-enfriador y un separador de humedad, normalmente está saturado. A medida que pasa a través de la tubería de distribución, que puede estar expuesto a temperaturas más frías, causan más condensación de la humedad con perjudiciales efectos, tales como la corrosión y la contaminación de punto-procesos de uso. Este problema puede evitarse mediante el uso adecuado de secadores de aire comprimido.

El aire atmosférico contiene humedad. Cuanto más alta es la temperatura del aire, más humedad es capaz de retener el aire. El término "humedad relativa" se usa comúnmente para describir el contenido de humedad, aunque técnicamente, el término correcto es "presión de vapor relativa", considerándose el aire y el vapor de agua como gases. Cuando el aire contiene toda la humedad posible en las condiciones predominantes, se denomina "saturado". El aire al 80% de humedad relativa contendría el 80 % del máximo posible.

Cuando el aire se enfría, alcanzará una temperatura en la que la cantidad de humedad presente ya no podrá ser contenida y parte de la humedad se condensará y caerá. La temperatura a la que se condensa la humedad se llama punto de rocío. En general, reducir la temperatura del aire comprimido saturado en 20°F (-6.7°C) reducirá el contenido de humedad en aproximadamente un 50%. El aire se comprime y ocupa un volumen menor, ya no puede contener toda la humedad posible en condiciones atmosféricas. Nuevamente, parte de la humedad caerá como condensado líquido. El resultado de ambas situaciones es una diferencia entre el punto de rocío en condiciones atmosféricas y el punto de rocío en presiones más altas. Secar el aire comprimido más allá del punto de rocío a presión requerido resultará en energía y costos innecesarios.

Los diferentes tipos de secadores de aire comprimido tienen diferentes características de funcionamiento y grados de supresión del punto de rocío. Los tipos de secadoras más comunes se describen a continuación:

*El secador frigorífico es el secador más comúnmente utilizado en la industria, con costos iniciales y operativos relativamente bajos. Los secadores de aire de tipo refrigerante (cíclicos y no cíclicos) no se recomiendan para el funcionamiento en temperaturas ambiente bajo cero. La humedad en el aire comprimido puede congelar y dañar la secadora. La mayoría de los secadores refrigerados están equipados con un pre-enfriador/recalentador que recalienta el aire comprimido seco con un intercambiador de calor aire-aire utilizando el aire caliente entrante. El secador refrigerado reduce el punto de rocío del aire a la temperatura aproximada del aire que sale del evaporador de refrigerante.

Los secadores cíclicos enfrían el aire comprimido indirectamente a través de un medio de almacenamiento térmico (disipador de calor, masa térmica, medios refrigerados, etc.) mientras que los secadores no cíclicos enfrían directamente el aire comprimido en un intercambiador de calor de refrigerante a aire. Los secadores de ciclo de tipo refrigerante se controlan con uno o dos termostatos para apagar el compresor de refrigerante cuando no es necesario, y un medio de almacenamiento térmico (disipador de calor, medio refrigerado o masa térmica) evita el ciclo rápido del refrigerante .

Los secadores no cíclicos de tipo refrigerante enfrían el aire en un intercambiador de calor de refrigerante a aire. El efecto de enfriamiento se debe a la evaporación de un refrigerante líquido que hace que la humedad del aire se condense. Luego, la humedad se elimina y se drena mediante un separador y drenaje. La temperatura del aire que sale del evaporador de refrigerante se controla mediante una válvula de derivación de gas caliente.

*Los secadores de tipo desecante regenerativo utilizan un desecante poroso que adsorbe la humedad recogiéndola en sus innumerables poros, permitiendo que grandes cantidades de agua sean retenidas por una cantidad relativamente pequeña de desecante. Los tipos de desecantes incluyen gel de sílice, alúmina activada y tamices moleculares. Es decir existe un proceso químico en el que el vapor de agua está ligado al material de absorción. El material de absorción puede ser sólido o líquido.

Normalmente, el desecante está contenido en dos torres separadas. El aire comprimido que se va a secar fluye a través de una torre, mientras que el desecante de la otra se regenera. La regeneración se logra reduciendo la presión en la torre y pasando aire de purga previamente secado a través del lecho desecante. Los secadores de este tipo normalmente tienen un ciclo de regeneración incorporado, que puede basarse en el tiempo, el punto de rocío o una combinación de los dos.

• Los secadores de calor de compresión son secadores desecantes regenerativos que utilizan el calor generado durante la compresión para lograr la regeneración del desecante, por lo que pueden considerarse reactivados por calor. Hay dos tipos: el de un solo recipiente y el de dos torres. El secador de calor de compresión de un solo recipiente proporciona un secado continuo sin ciclos ni cambio de torres. El funcionamiento de la secadora de doble torre, el calor de compresión es similar a calor-activado, secador regenerativo-desecante. La diferencia es que el desecante en la torre saturada se regenera mediante el calor de compresión en todo el aire caliente que sale de la descarga del compresor de aire. Los secadores de calor de compresión requieren aire desde el compresor a una temperatura suficientemente alta. Por este motivo, se utiliza casi exclusivamente con compresores de tornillo rotativo centrífugos o sin lubricante.
• Los secadores de tecnología de membranas se utilizan comúnmente para la separación de gases, como en la producción de nitrógeno para el almacenamiento de alimentos y otras aplicaciones. La estructura de la membrana permite que las moléculas de ciertos gases (como el oxígeno) atraviesen (permeen) una membrana semipermeable más rápido que otras (como el nitrógeno), dejando una concentración del gas deseado (nitrógeno) en la salida del generador. Cuando se usa como secador en un sistema de aire comprimido, las membranas especialmente diseñadas permiten que el vapor de agua (gas) pase a través de los poros de la membrana más rápido que los otros gases (aire) reduciendo la cantidad de vapor de agua en la corriente de aire en la salida del secador de membrana, suprimiendo el punto de rocío.

La humedad en el aire comprimido

Una de las principales causas de falla de un compresor es la humedad contenida en el aire utilizado. El aire comprimido que cumpla con las especificaciones requeridas por el proveedor del compresor, mejorará la productividad, la eficacia del sistema y la calidad del producto o del proceso. Algunos problemas causados por la presencia de humedad en el aire son: Corrosión, fallo de componentes críticos, pérdida de sensibilidad del instrumento, condensación/congelación de tuberías de aire y una ineficiente regeneración del ciclo. Por aquello es de vital importancia, para la seguridad operativa, el estricto monitoreo y control de las variables de la calidad del aire comprimido.

El vacío en la industria

Se emplean para retener piezas con superficies lisas y herméticas. Se utilizan con toberas y cabezales de aspiración al vacío o con ventosas. En la tobera de aspiración al vacío el aire comprimido que fluye de P hacia R forma un vacío según el principio del eyector.

En la conexión de vacío (U) se conectan ventosas. En el sistema de ventosa, simultáneamente al proceso de aspiración, se llena de aire comprimido el volumen montado. Al desconectar la presión de entrada (P) se vacía a impulsos el aire comprimido almacenado a través de la conexión (U) según el principio de la purga rápida del aire, y empuja la pieza retenida separándola de la ventosa.

El vacío se genera de forma neumática (eyectores) o eléctrica (bombas, soplantes). Los generadores de vacío neumáticos realizan tiempos de ciclo cortos y gracias a su diseño compacto y ligero se pueden integrar directamente en el sistema. Los eyectores cuentan con funciones inteligentes para el control de energía y procesos. Los generadores de vacío eléctricos se utilizan en aplicaciones en las que no se dispone de aire comprimido o en las que se requieren elevadas potencias de aspiración.

Componentes individuales para el diseño de sistemas de vacío 

 Ventosas de vacío

Garras especiales
Sistemas de garra y efectores finales
Elementos de fijación
Generadores de vacío
Técnica de válvulas
Interruptores y control de sistemas
Filtros y uniones

a) Mando directo de un cilindro de simple efecto.

Una vez que tengamos la fuente de aire comprimido, la unidad de mantenimiento y una unidad de distribucion de aire comprimido, se deberá seleccionar una valvula 3/2 accionada por pulsador y un cilindro simple efecto 

Contestar:

¿Cómo se puede controlar la velocidad de avance y de retroceso manteniendo constante la presión de entrada? 

 b) Mando directo de cilindros de doble efecto. 

Al cilindro de doble efecto se incorporan extranguladores de velocidad en ambos sentidos de desplazamiento. Tal como se aprecia en el circuito esquemático.

La válvula es 5/2 accionada por palanca o selector.

Contestar:

¿Por qué en Neumática se utilizan válvulas de 5 vías, para un cilindro doble efecto? 

a) Mando indirecto de cilindros de simple efecto, con válvula monoestable. La válvula principal es monoestable, es decir, en cuanto se anula la presión del único pilotaje de esta válvula, su estado siempre va a ser el que imponga el muelle de la válvula. 

 b) Mando de un cilindro de simple efecto con válvula selectora (función lógica “O”) desde dos puntos diferentes. 

Contestar:

¿Cuándo puede interesar utilizar una válvula selectora ? ¿Cómo se consigue que retorne el cilindro? Si se conectan señales de presión diferentes por cada lado de la válvula selectora, ¿cuál actuaría sobre el cilindro?.

c) Mando condicional de un cilindro de simple efecto (función lógica “Y”), con condiciones desde dos puntos diferentes. Esta función se puede realizar utilizando una válvula de simultaneidad. Contestar: Si las señales de presión que vinieran por cada lado de la válvula de simultaneidad fueran diferentes, ¿cuál actuaría sobre el cilindro? 

d) Mando indirecto de cilindros de doble efecto con válvulas biestables. Se tiene mando indirecto cuando el estado de activación de las válvulas distribuidoras principales está a su vez controlado mediante pilotajes neumáticos. Muy habitualmente estas señales de pilotaje no son continuas, sino que consisten en meros pulsos de presión, de muy corta duración. 

Para mantener el estado de activación de las válvulas principales incluso después de desaparecer la señal de pilotaje se emplean las denominadas válvulas biestables, que son válvulas con “memoria”, es decir, no modifican su estado hasta que no reciben un pulso de presión en el pilotaje del estado contrario. 

En el circuito de la figura de se desea mantener a voluntad al cilindro en cada uno de los dos fines de carrera. Ello se consigue con una válvula biestable 5/2, que recibe pulsos de pilotaje de mando indirecto desde las válvulas 3/2 de pulsador manual. ¿Qué ocurriría si ambas líneas de pilotaje recibieran la misma presión a la vez? ¿Por qué? ¿Y si las presiones de las líneas de pilotaje fueran diferentes?

 e) Retorno rápido de cilindro mediante válvula de escape rápido.

Se debe utilizar dos cilindros de doble efecto una válvula de simultaneidad con escape rápido ver el simbolo.

¿Cuál es el efecto de la válvula de escape rápido en el circuito de la figura? ¿Se podría pensar en utilizar un elemento similar en un circuito hidráulico? 

3° Práctica: Mando  de cilindros neumáticos con pulsador(es) de avance/marcha

Se utilizara en este tipo de circuito finales de carrera o valvulas neumáticas 3/2 activadas por rodillo

  f) Mando de un cilindro doble efecto con retorno automático

Con una pulsación, el vástago del cilindro avanza y por un final de carrera, este retornará)

El circuito posee un retorno automático Es decir, ante una señal de pulso de inicio realizará las carreras de avance y retroceso.

g) Circuito con finales de carrera y un cilindro de doble efecto.

Un CDE se moverá mediante el efecto de una válvula 5/2 biestable , ésta, estará pilotada por dos finales de carrera que detectarán la posición de vástago recogido y extendido. Con el inicio (un boton selector), se suministrará el aire a la 5/2  estando en permanente movimiento el vástago, hasta que se desactive el selector

Estructura de un circuito neumático

Este esquema puede hacerse con FluidSim y delimitar niveles de circuito neumático con 2 finales de carrera