El ciclo de compresión rotatorio

Los compresores de tornillo rotativo alimentan multitud de procesos de fabricación diferentes. En cualquier fábrica donde se fabriquen productos, casi seguro encontrarás al menos un compresor de aire de tornillo rotatorio en funcionamiento. Los compresores de tornillo rotatorio industriales ofrecen la ventaja de un ciclo de trabajo del 100% y la capacidad de permanecer en funcionamiento las 24 horas del día. Mientras que un compresor de pistón necesita frenos intermitentes para funcionar de forma óptima, un compresor de tornillo rotativo en realidad funciona mejor con uso continuo.

Dimensionar correctamente los tornillos rotativos y asegurar un diseño eficiente en el sistema de aire y el control del compresor da como resultado una compresión altamente eficiente energéticamente. Vamos a repasar cómo funcionan los compresores de tornillo rotativo y cómo mantenerlos en perfecto estado para una longevidad óptima.

¿Cómo funciona un compresor rotativo?

Cuando la persona promedio piensa en un compresor de aire, imagina un compresor de aire alternativo que funciona con pistones. Este tipo de compresores utilizan pistones para mover el aire a un espacio pequeño y posteriormente recoger el aire comprimido resultante dentro de un tanque receptor. Aunque estos compresores llevan décadas en uso y son relativamente económicos, no son necesariamente la mejor opción para producir aire comprimido.

Los compresores de aire de tornillo rotatorio utilizan un mecanismo de desplazamiento positivo basado en dos tornillos que giran en una alineación precisa. Estos rotores entrelazados reducen el volumen de aire y aumentan su presión.

¿Cómo comprimen el aire?

El principio del compresor de tornillo rotativo se basa en una malla estrecha de los rotores macho y hembra. A medida que el aire entra en el compresor, queda atrapado entre los rotores y se reduce en volumen. El ciclo del compresor de tornillo rotatorio funciona de la siguiente manera.

1. La válvula de admisión absorbe aire atmosférico.
2. El aire viaja por la línea de presión del sistema hasta una válvula reguladora responsable de establecer la presión total del sistema.
3. Se mezclan aire y aceite y son comprimidos por los rotores en el extremo de aire.
4. La manguera de descarga de aire transporta la mezcla de aire y aceite lejos del extremo de ventilación.
5. La mezcla de aire y aceite entra en el primer tanque separador de aceite, que elimina la mayor parte del aceite del aire.
6. El aire fluye entonces a través de los filtros secundarios de separación que eliminan el resto de la niebla aceitosa.
7. El aire limpio sale del sistema y se recoge en el depósito receptor, si se está utilizando uno.
8. El aceite fluye hacia la nevera y se reduce a una temperatura adecuada antes de fluir hacia un filtro de aceite.
9. El filtro de aceite filtra cualquier contaminante restante en el aceite.
10. El aceite limpio y reciclado regresa al airend a través de lo que se llama una línea de scavo.

Aunque imaginar el ciclo del compresor de tornillo rotatorio como una secuencia de pasos ayuda a aclarar el funcionamiento de la máquina, los pasos en realidad no ocurren de forma secuencial. Una vez encendido el compresor, todos los pasos listados comienzan a ocurrir simultáneamente y continúan hasta que la máquina se apaga.

Ventajas de los compresores de tornillo rotatorio

Veamos las ventajas de los compresores de tornillo rotatorio y por qué el ciclo es ventajoso en comparación con otros tipos de compresores.

• Seguridad y comodidad: Los compresores de aire de tornillo rotatorio pueden proporcionar compresión de aire continua para muchos propósitos, y el hecho de que los tornillos estén asegurados en una carcasa los hace más seguros de usar.
• Funcionalidad en condiciones extremas: Los compresores rotativos de aire pueden funcionar tanto a altas como a bajas temperaturas, donde no se pueden usar otros tipos de compresión.
• Mejor generación de energía: Estos compresores tienen caudales de aire muy altos y están diseñados para generar suficiente potencia para aplicaciones de alta demanda.
• Mantenimiento más sencillo: El diseño de los compresores rotativos de aire es impresionantemente aerodinámico, y estos compresores tienen muchas menos piezas que otros.
• Funcionamiento silencioso: Esta forma de compresión de aire es mucho más silenciosa que la compresión de pistones, y muchos compresores de tornillo rotativo tienen funciones de amortiguamiento de ruido para reducir aún más el ruido de funcionamiento.
• Eficiencia energética: El ciclo de compresor de tornillo rotatorio genera menos calor que los compresores de aire tradicionales, lo que resulta en una mayor conservación de la energía.
• Menor consumo de aceite: Los compresores rotativos engrasados funcionan con menos aceite que otros tipos de compresores inundados y también tienen una retención mínima de aceite.
• Diseñado para el largo plazo: Los compresores de aire de tornillo rotatorio de calidad pueden durar muchos años y reducir poco o ninguna capacidad.

Tanto a corto como a largo plazo, el coste inicial adicional de un compresor rotativo se amortiza a través de estas eficiencias.

Componentes del compresor de tornillo rotatorio

Cada componente del sistema es fundamental para el funcionamiento de los compresores de tornillo rotatorio. El corazón de un compresor rotatorio de aire es el extremo de aire. Esta es la zona donde el aire se comprime realmente. El airend tiene una válvula de admisión que toma aire y lo mezcla con aceite durante el proceso de compresión. El sistema entonces separa el aceite del aire, y el aire sale del sistema. Aunque el airend es el lugar de la compresión, los siguientes componentes adicionales son esenciales para el ciclo del compresor de tornillo rotatorio.

Filtro de aire

No todo el aire es igual, y la calidad del aire que entra en el compresor influye en la longevidad del sistema. Filtrar el aire antes de que llegue a la válvula de entrada es esencial, especialmente en aplicaciones donde el aire ambiente no es precisamente limpio. Los filtros de aire pueden montarse directamente en el compresor, o colocarse de forma remota y conectarlos con una manguera. Al colocar el filtro de aire, busca una zona con el aire más fresco y limpio para obtener mejores resultados.

Tanque de separación primaria

A medida que el aire comprimido sale del aire, se mezcla con el aceite del compresor. El tanque separador primario es donde se produce la ronda inicial de filtración. Tanto la fuerza centrífuga de la centrifugación como la separación mecánica trabajan juntas para formar gotas de aceite. Estas gotas caen luego al fondo, convirtiendo a este tanque en un depósito de aceite funcional en muchos casos.

Filtro de separación secundaria

Después de que el aire comprimido sale del tanque de separación primario, casi todo el aceite desaparece, pero se necesita otra filtración para limpiarse completamente. La mezcla de niebla aceitosa y aire que queda pasa por un filtro coalescente en el tanque secundario. Los filtros coalescentes utilizan un material en forma de membrana que recoge las partículas de aceite y las dirige de vuelta al sistema central de aceite. El aire que sale del filtro en este punto estará libre de aceite y listo para usar.

Es común que el filtro de separación secundario esté conectado directamente al tanque principal, aunque también puedes montarlo remotamente con un colector de filtro dedicado.

Filtro de aceite

Un compresor de tornillo rotatorio utiliza un sistema de lubricación en lazo cerrado. Esto significa que la instalación debe utilizar un filtro de aceite. La función del filtro de aceite es recoger cualquier fragmento suelto que se haya acumulado en el aceite y que no debería volver a entrar en el sistema del compresor de aire. Un filtro de aceite puede colocarse en cualquiera de varios intervalos en el circuito del compresor.

Enfriador de aceite

Se produce una cantidad significativa de calor durante la compresión del aire, lo que hace que el aceite se caliente muchísimo. Para enfriarlo, el aceite se pasa por un enfriador separado antes de reciclarse de nuevo al compresor. Un compresor rotativo puede usar un enfriador líquido-líquido o aire-líquido en combinación con la refrigeración del motor.

El enfoque líquido-líquido requiere suficiente potencia de refrigeración para reducir el calor en el aceite del compresor además de la refrigeración del motor. Si vas a optar por refrigeración aire-líquido, necesitas suficiente aire limpio y a baja temperatura para mantener la temperatura del aceite dentro del rango adecuado.

Mangueras

La importancia de las mangueras no puede subestimarse en las operaciones de compresores de tornillo rotatorio. Elegir una manguera que no cumpla con las especificaciones de presión, calor y componentes químicos del aceite utilizado provocará un desgaste excesivo que provoca fallos de la manguera. Estos fallos pueden ser extremadamente peligrosos y, en algunos casos, pueden hacer que tengas que reparar o reemplazar todo el compresor.

Compresores rotativos de aceite vs. no aceitosos

Los compresores sin aceite no cuentan con la ayuda de un sello de aceite, lo que significa que la compresión se consigue únicamente mediante la acción del rotor. Como resultado, los compresores libres de aceite suelen tener una capacidad máxima de descarga inferior a la de sus homólogos engrasados. Sin embargo, los sistemas en los que varios juegos de tornillos comprimen el aire, la presión y el volumen de salida pueden ser comparables a compresores engrasados.

No hay aceite para sellado, así que los discos tienen que ser lo más precisos posible y no toleran mucha desviación. Los tornillos no se tocan, pero la distancia entre ellos debe ser muy pequeña para el mejor rendimiento. En los compresores libres de aceite, el agua se mueve por caminos específicos en la carcasa del elemento para enfriar el aire. Esto solo enfría la carcasa, dejando el aire y los rotores necesitando más refrigeración.

Para sortear esta ineficiencia, los compresores libres de aceite contienen dos etapas de compresión. En la primera etapa, el aire se comprime hasta unas 50 libras por pulgada cuadrada (psi) y luego pasa por un intercooler antes de que la segunda etapa comprima el aire a 100 psi.

Los compresores libres de aceite son necesarios para industrias y aplicaciones donde la retención de aceite es inaceptable. Estas incluyen aplicaciones de alta precisión como la investigación médica o la fabricación de productos complejos como semiconductores. Sin embargo, que el aire producido por un compresor libre de aceite no tenga aceite no significa que se pueda saltar la filtración. El aire resultante puede contener hidrocarburos u otros contaminantes que deben ser eliminados. Debido a este requisito, los compresores sin aceite siguen necesitando el mismo tratamiento de aire que los compresores inyectados por aceite para garantizar la calidad.

Compresores con inyección de aceite

Durante el ciclo de compresor de tornillo rotatorio de un sistema inyectado con aceite, el aceite inyectado ayuda a sellar las cavidades y crea un disipador de calor que enfría la carga de gas. Tras la inyección, el sistema separa el aceite del chorro para su refrigeración, filtración y reciclaje. El aceite reduce la carga de partículas en la filtración al capturar partículas no polares de la entrada de aire ambiente. Parte del aceite del compresor puede pasar a la corriente de aire comprimido, lo que puede evitarse mediante el uso de filtros coalescentes.

Los filtros coalescentes aguas abajo de un secador de aire son menos efectivos para eliminar aceite y agua del aire que los secadores de aire refrigerados que tienen filtros internos de frío. Una vez que el aire comprimido se enfría y está libre de humedad, el aire ahora frío ayuda a enfriar el aire que entra y, al mismo tiempo, calienta el aire que sale del sistema. Los tanques receptores permiten que el aceite forme gotas y caiga del aire para su retirada.

Tipos de accionamiento de compresores rotativos

El tipo de accionamiento también afecta al funcionamiento de los compresores de aire rotativos. Los tres tipos básicos de accionamientos para compresores de aire son:

• Transmisión por correa en V: Estos son beneficiosos para quienes quieren un terrario de tamaño más pequeño. Ofrecen un mantenimiento sencillo y su nivel de alineación no es tan crítico para un buen funcionamiento.
• Drives directos: Aunque los accionamientos directos son más grandes que otros, son significativamente más silenciosos. También eliminan la necesidad de mantenimiento de correas y engranajes.
• Accionado por engranajes: Los estabilizadores accionados por engranajes no tienen problemas de alineación. Normalmente se utilizan para compresores de alta potencia, y la velocidad del compresor puede diferir de la del motor.

El tipo de accionamiento que elijas dependerá de varios elementos como los requisitos de velocidad del compresor y las recomendaciones del fabricante. También es posible combinar cualquiera de estos tipos de accionamiento con un motor de velocidad variable.

Opciones del esquema de control del compresor rotativo

El funcionamiento del compresor de tornillo rotatorio está gobernado por diferentes esquemas de control. Veamos los beneficios y desventajas de cada uno.

Inicio/Parada

Los esquemas de control de arranque/parada utilizan relés accionados que suministran o cortan la energía al motor del compresor según la necesidad de aire comprimido de la aplicación. Si la carga no está bien ajustada al compresor o es intermitente, se necesitará un espacio de almacenamiento significativo. En algunos casos, el espacio de almacenamiento necesario es incluso mayor que la superficie del compresor.

Carga/descarga

Este esquema mantiene el compresor alimentado de forma continua. Utiliza una válvula corredera para responder a un cambio en la necesidad de aire comprimido. Cuando se necesita menos aire comprimido, la válvula deslizante se mueve para descubrir una parte del rotor. Esto reduce la capacidad de la máquina, descargando el compresor en lugar de desconectar la alimentación por completo. Al reducir el número de arranques y paradas, los esquemas de control de carga/descarga amplían la vida útil del compresor sin incurrir en un cambio significativo en el coste operativo. Este esquema de control es el más común entre los fabricantes de compresores de aire.

Se puede usar un esquema de control de carga/descarga con un temporizador. El temporizador detendrá el funcionamiento del compresor tras un tiempo especificado con uso sin carga. Esto se denomina esquema de auto-dual o doble control. Como solo hay dos tasas de producción, este esquema requiere una cantidad considerable de almacenamiento. Sin embargo, los requisitos de espacio son mucho menores que los de un sistema de inicio/parada.

Modulación

Este esquema de control también utiliza una corredera de válvula para modificar la capacidad en respuesta a la demanda, pero la capacidad se modula de forma continua en lugar de en pasos discretos. El beneficio de la modulación continua es una presión de descarga constante incluso en muchos niveles de demanda, pero el inconveniente es un mayor consumo de energía.

La modulación no es particularmente eficiente como esquema de control en comparación con los accionamientos de velocidad variable, que discutiremos a continuación. Sin embargo, algunas aplicaciones hacen que sea poco práctico o imposible arrancar y apagar el compresor con frecuencia. En estas aplicaciones, como los compresores alimentados por motores de combustión interna, la modulación es una buena opción. La modulación también reduce la necesidad de almacenamiento debido a su tasa de producción variable.

Desplazamiento variable

El desplazamiento variable permite que el aire pase por cierta parte de los rotores, cambiando el porcentaje de tornillos que trabajan para comprimir el aire. En comparación con los esquemas de control por modulación, el desplazamiento variable consume menos energía. Sin embargo, los sistemas con grandes cantidades de almacenamiento pueden ser más adecuados para un esquema de carga/descarga. Cuando no es práctico almacenar grandes cantidades de almacenamiento, el desplazamiento variable es una buena opción.

A veces, el desplazamiento variable se logra mediante el uso de múltiples válvulas en el lado de succión del compresor. Todas estas válvulas tienen una ubicación correspondiente en la descarga del compresor. Esto funciona como una válvula de derivación en los compresores automotrices.

Velocidad variable

Mientras se mantenga adecuadamente, un compresor con un sistema de control de velocidad variable generará los menores costes operativos en términos de energía y el sistema no supondrá una reducción significativa en la vida útil del compresor. Si la demanda de aire es constante, las ventajas económicas se reducen algo debido a la potencia de frecuencia variable invertida necesaria para el diseño.

Dicho esto, los esquemas de velocidad variable crean una relación casi lineal entre el consumo de potencia del compresor y el suministro de aire. Esto facilita una operación altamente eficiente en un amplio rango de demanda. Durante periodos de muy baja demanda, el compresor aún tiene que funcionar en modo de arranque/parada y la eficiencia disminuye rápidamente en respuesta a fugas del rotor. En zonas polvorientas, calurosas o húmedas, la electrónica de control de velocidad variable puede requerir protección y mantenimiento adicionales para preservar la vida útil.

Mantenimiento de compresores de tornillo rotatorio

Cuando se trata del funcionamiento de un compresor de aire de tornillo rotatorio, su funcionamiento depende de si el compresor recibe todo el mantenimiento recomendado por el fabricante. El mantenimiento suele realizarse con un horario predeterminado o según las horas de funcionamiento de la máquina. Las horas de funcionamiento son un indicador más fiable de las necesidades de mantenimiento, aunque hacerlas un seguimiento requiere un registro preciso. Muchos de los controles actuales de compresores de aire cuentan con funciones de diagnóstico y resolución de problemas que te indican qué piezas y servicios puedes necesitar. Hay cinco áreas principales de un compresor de aire que requieren mantenimiento:

• Terminal de aire
• Motor
• Tren motriz
• Lubricantes
• Filtros

1. Terminales

La contaminación del aire, los lubricantes y el calor excesivo contribuyen a los daños en el sistema de aire. Comprueba que no escuchas sonidos inusuales ni notas vibraciones. Los Airends deben reconstruirse periódicamente, y muchos fabricantes sugieren reconstruir alrededor de las 50.000 o 60.000 horas para evitar que se haya paradas forzadas.

2. Rodamientos del motor

Los rodamientos de motor necesitan una lubricación adecuada con cantidades y tipos específicos de lubricantes para durar el mayor tiempo. Los rodamientos deben reemplazarse con más frecuencia que otras piezas para asegurar la longevidad del compresor. Comprueba el consumo de amperios regularmente y asegúrate de que el motor no se sobrecargue.

3. Sistemas de transmisión

La alineación es la principal preocupación en los sistemas de transmisión de compresores de aire. Cualquier desalineación causará daños innecesarios al acoplamiento si el bloque de montaje o el marco se asientan. Las correas en V deben ser inspeccionadas y potencialmente ajustadas cada 500 horas, y las correas que estén desgastadas o muestren signos de desgaste deben ser reemplazadas.

4. Lubricantes

Para obtener los beneficios de refrigeración, sellado y protección de los lubricantes, cambia el aceite según las instrucciones del fabricante para las aplicaciones específicas. Utiliza siempre lubricantes especificados para el modelo de compresor y asegúrate de vaciar todo el lubricante viejo antes de volver a llenar la máquina.

5. Filtros

Es mucho más rentable implementar primero una filtración adecuada que pagar las reparaciones de equipos dañados por aire contaminado. Asegúrate de inspeccionar los filtros de entrada regularmente y cámbilos cuando sea necesario. Un intervalo común de reemplazo es cada 2.000 horas.

Limpieza general

La limpieza general también es una parte importante del mantenimiento de los compresores de aire. Cualquier suciedad en las superficies del compresor puede acabar aumentando la temperatura del aire comprimido, lo que reduce la salida y aumenta la potencia necesaria para producir el aire.

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