¿Cómo funcionan los compresores de aire?

En el mundo moderno de la neumática, los compresores de aire son vitales para el funcionamiento de fábricas y talleres de todo el mundo. Pero no siempre lo han sido. Los compresores de aire son un invento relativamente reciente en el contexto de la historia de la maquinaria.

Antes de los compresores de aire, muchas herramientas obtenían su energía de complicados sistemas con correas, ruedas y otros grandes componentes. Esta maquinaria era enorme, pesada y costosa, y normalmente estaba fuera del alcance de muchas operaciones pequeñas. Hoy en día, los compresores de aire vienen en muchas formas y tamaños, y puede encontrarlos en grandes tiendas, talleres de automóviles e incluso en el garaje de su vecino. En esta guía, hablaremos de cómo funcionan los compresores de aire, desde su funcionalidad básica hasta las distintas formas en que los distintos compresores gestionan el desplazamiento del aire.

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¿Cómo funciona un compresor de aire?

Los compresores de aire funcionan forzando el aire atmosférico bajo presión para crear energía potencial que puede almacenarse en un depósito para su uso posterior. Al igual que un globo abierto, la presión aumenta cuando el aire comprimido se libera deliberadamente, convirtiendo la energía potencial en energía cinética utilizable. A partir de ahí, esta transferencia de energía puede aprovecharse para accionar diversas herramientas neumáticas.

Los compresores de aire industriales funcionan de forma similar a los motores de combustión. Generalmente, el funcionamiento de un compres or de aire requiere un cilindro de bombeo, un pistón y un cigüeñal para transferir energía para una amplia variedad de tareas. Estos componentes básicos pueden ayudar a suministrar aire para llenar objetos como neumáticos o juguetes hinchables para piscinas, o pueden suministrar energía para accionar herramientas como taladros, pistolas de clavos, amoladoras, lijadoras y pistolas pulverizadoras.

Desde las llaves de impacto hasta las unidades de CA, muchas herramientas y máquinas versátiles accionadas por aire son responsables de la comodidad, el refugio, la automatización y la eficiencia de la vida cotidiana. Los propios compresores son más compactos y ligeros que otras fuentes de energía centralizadas. También son duraderos, requieren menos mantenimiento y son más fáciles de mover que otra maquinaria anticuada.

Funcionalidad del compresor de aire de pistón

Entonces, ¿cómo obtiene aire un compresor de aire? Para los que utilizan pistones, implica dos partes: Aumentar la presión y reducir el volumen del aire. La mayoría de los compresores utilizan la tecnología de pistones alternativos.

Un compresor de aire suele utilizar:

• Un motor eléctrico o de gas
• Una válvula de entrada y otra de salida para aspirar y expulsar el aire
• Una bomba para comprimir el aire
• Un tanque de almacenamiento

El compresor aspira aire y crea un vacío para reducir su volumen. El vacío empuja el aire fuera de la cámara y hacia su tanque de almacenamiento. Una vez que el tanque de almacenamiento alcanza su máxima presión de aire, el compresor se apaga. Este proceso se denomina ciclo de trabajo. El compresor volverá a encenderse cuando la presión caiga por debajo de un número determinado.

Los compresores de aire no necesitan tener tanques de almacenamiento, y algunas de las opciones más pequeñas renuncian a ellos en favor de la portabilidad.

¿Qué es el desplazamiento del aire?

El desplazamiento del aire es el núcleo de todo compresor de aire. Para comprimir el aire, los mecanismos internos del compresor se mueven para empujar el aire a través de la cámara. Hay dos tipos principales de desplazamiento de aire utilizados para este propósito:

Desplazamiento positivo: La mayoría de los compresores de aire utilizan este método, en el que el aire se introduce en una cámara. Allí, la máquina reduce el volumen de la cámara para comprimir el aire. A continuación, se traslada a un tanque de almacenamiento y se guarda para su uso posterior.

Desplazamiento dinámico: También llamado desplazamiento no positivo, este método utiliza un impulsor con aspas giratorias para introducir el aire en la cámara. La energía generada por el movimiento de las palas aumenta la presión del aire en menos tiempo. El desplazamiento dinámico puede utilizarse con turbocompresores porque funciona rápidamente y genera grandes volúmenes de aire. Los turbocompresores de los coches suelen utilizar compresores de aire de desplazamiento dinámico.

Tipos de compresores de aire de desplazamiento positivo

Dado que el desplazamiento positivo es el tipo más común de método de compresión de aire, existe una gran variedad de compresores de aire de desplazamiento positivo. Sin embargo, cada uno funciona de forma diferente. Algunos son mejores para el uso industrial, y otros son adecuados para proyectos domésticos y aplicaciones más pequeñas. A continuación le presentamos algunos de los diferentes tipos de compresores de aire de desplazamiento positivo:

De tornillo: Un compresor de tornillo rotativo es típico para uso industrial y tiene tamaños que se adaptan a muchas aplicaciones. Estos compresores tienen dos tornillos dentro del motor, que giran continuamente en direcciones opuestas. El movimiento de los tornillos crea un vacío que aspira aire. Ese aire queda atrapado entre las roscas de los tornillos y se comprime al ser forzado entre ellas. Finalmente, se envía a través de la salida o a un tanque de contención. La mayoría de los compresores de tornillo son de tamaño industrial y se lubrican con aceite, aunque también existen diseños de compresores sin aceite.

A continuación le ofrecemos una visión más técnica del funcionamiento de los compresores de tornillo rotativo con inyección de aceite:

1. El aire atmosférico entra en el compresor por la válvula de entrada.
2. El aire viaja a través de la línea de control de presión hasta la válvula reguladora, un proceso que establece la presión de aire del sistema.
3. A continuación, el aire entra en el compresor, donde se combina con el aceite formando una niebla.
4. El aire recorre la longitud de los dos tornillos internos mientras giran en direcciones opuestas.
5. El movimiento del tornillo crea un vacío, atrapando y comprimiendo el aire en el espacio entre los tornillos.
6. El aire presurizado es forzado a través de la salida y hacia el tanque separador de aceite primario mientras sigue combinado con el aceite en forma de niebla.
7. La fuerza centrífuga dentro del tanque hace que la mayoría de las moléculas de aceite se formen en gotas y se acumulen en el fondo como aceite reutilizable.
8. A continuación, el aire entra en un filtro de separación secundario donde se elimina más aceite, purificando aún más el aire.
9. El aire libre de aceite sale del sistema, donde se almacena en un depósito o se utiliza inmediatamente en una herramienta neumática o maquinaria conectada.

Paletas rotativas: Un compresor o bomba de vacío de paletas rotativas tiene un principio similar al de un tornillo rotativo. En el caso de una paleta rotativa, se coloca un motor descentrado dentro de una cavidad redondeada. El motor tiene paletas con brazos de ajuste automático. A medida que los brazos se acercan a la entrada de aire, se alargan, creando una gran cavidad de aire. A medida que el motor gira, moviendo el aire con él, los brazos se acercan a la salida y se hacen más pequeños, creando un espacio menor entre las paletas y la carcasa redonda, que comprime el aire. Los rotores de paletas son pequeños y fáciles de usar, por lo que son ideales para propietarios y contratistas.

Debido a la similitud entre los compresores de paletas rotativas y los de tornillo rotativo, a continuación se ofrece una descripción técnica del funcionamiento de un compresor de aire de paletas rotativas a modo de comparación:

1. El aire atmosférico entra por la válvula de entrada y se dirige al compresor.
2. Los álabes se montan en el rotor giratorio interno, que se coloca descentrado dentro de la cavidad.
3. Los brazos con longitud autoajustable dividen el espacio, creando varias cavidades de tamaño variable.
4. El aire llena la cavidad y se desplaza siguiendo la rotación del rotor.
5. A medida que la cavidad se hace más pequeña, la presión del aire aumenta y lo comprime.
6. El aire presurizado se hace pasar por la salida del compresor.

Reciprocante/pistón: En un compresor de aire alternativo, el giro de un rotor obliga a un pistón a moverse hacia arriba y hacia abajo. Cuando el pistón baja, el aire libre se introduce en una cámara. A continuación, el aire se comprime y se vuelve a expulsar cuando el pistón vuelve a subir. Algunos compresores, denominados de una sola etapa, sólo utilizan un pistón. Otros, llamados compresores de dos etapas, utilizan dos pistones y pueden presurizar más aire. El tipo de compresor de aire alternativo es uno de los más comunes.

La mecánica de un compresor de aire

El funcionamiento de los compresores de aire puede variar según su diseño. Los compresores de aire de pistón pueden tener uno de los dos tipos de ciclos de compresión:

De una sola etapa: El pistón comprime el aire en una sola carrera. Una carrera es un giro completo del cigüeñal que acciona el pistón. El diseño sencillo de una sola etapa hace que muchos de estos compresores sean ideales para proyectos privados.

A continuación se describen los pasos técnicos del funcionamiento de un compresor de aire de una etapa:

1. El giro del rotor obliga a un solo pistón a moverse hacia arriba y hacia abajo.
2. Cuando el pistón se mueve hacia abajo, el aire atmosférico se introduce en la cámara de compresión a través de la válvula abierta.
3. Cuando el pistón se mueve hacia arriba, el aire se comprime al ser empujado hacia la cámara de salida.
4. El aire presurizado se hace pasar por la salida del compresor.

De dos etapas: El primer pistón comprime el aire antes de trasladarlo a un cilindro más pequeño, donde otro pistón lo comprime aún más. Este diseño permite al compresor generar mayores presiones, lo que lo hace ideal para fábricas y talleres. Dado que la energía cinética que comprime el aire genera calor, muchos sistemas de dos etapas también enfrían el aire mientras viaja entre cada cilindro. La refrigeración del aire permite al compresor mover más aire sin sobrecalentarse.

Así es como funciona un compresor de aire de dos etapas:

1. El rotor gira para controlar dos pistones simultáneamente, obligando a cada uno de ellos a moverse de forma inversa hacia arriba y hacia abajo.
2. El pistón más grande introduce el aire en la primera cámara de compresión y luego lo empuja hacia el intercooler.
3. El intercooler utiliza una corriente continua de agua para enfriar el aire.
4. El pistón más pequeño comprime un gran volumen de aire en un espacio compacto, presurizándolo aún más.
5. El aire presurizado es entonces forzado a través de la salida por el pequeño pistón.

¿Cómo funciona un regulador de aire comprimido?

Un regulador se acopla a la salida del depósito de aire de su compresor y cuenta con un pomo ajustable y un indicador de presión. Al girar el pomo en sentido contrario a las agujas del reloj, éste empuja un muelle que restringe una válvula, lo que disminuye la presión al reducir el suministro de aire que entra en el regulador. Al girar el pomo en el sentido de las agujas del reloj, el muelle y la válvula se liberan, permitiendo que pase más aire a alta presión por la salida.

En muchos compresores de aire de una etapa, el límite de presión preestablecido es de 125 psi. Cuando se alcanza este límite, un presostato se activa para detener el motor y la producción de aire comprimido. En la mayoría de las operaciones, no es necesario alcanzar ese límite de presión, por lo que muchos compresores establecen líneas de aire a un regulador. Con un regulador, se puede introducir el nivel de presión adecuado para una herramienta determinada.

Cuando la cantidad de presión necesaria para alimentar su herramienta es inferior a la presión de su depósito de aire comprimido, un regulador ajusta la presión por usted. Aunque el regulador no puede aumentar la presión por encima de la que hay en el depósito, garantiza que la herramienta reciba un flujo constante de aire a la presión correcta.

Cuando se alcanza la presión especificada, el regulador apaga la bomba en cualquier punto de su ciclo, lo que significa que el pistón puede estar a mitad de carrera, con aire presurizado en la cámara, cuando se detiene. Este aire puede ejercer una presión indebida en el circuito de arranque, que necesita más potencia para poner en marcha el motor. Una válvula de descarga es una simple adición que libera el aire atrapado para evitar este problema.

El regulador está respaldado por dos manómetros: uno para controlar la presión del depósito y otro para controlar la presión dentro de la línea de aire. Además, el depósito tiene una válvula de emergencia que se activa si el presostato funciona mal.

¿Qué es un pistón alternativo?

El pistón alternativo consta de las siguientes partes:

• Cigüeñal
• Biela
• Cilindro
• Pistón
• Cabeza de válvula

Su funcionamiento es similar al del motor de combustión de un coche. El vástago del cigüeñal eleva el pistón en el cilindro y empuja el aire hacia la cámara de compresión, disminuyendo el volumen de aire y aumentando la presión. El pistón se cierra, empujando el aire comprimido hacia el depósito. A continuación, el pistón se abre de nuevo para aspirar más aire y volver a empezar el proceso.

Los compresores que utilizan pistones pueden ser más ruidosos que otros diseños debido a la forma en que los componentes de la máquina se mueven y generan fricción. Pero las nuevas tecnologías y los diseños más avanzados están trayendo modelos de doble y múltiple pistón que pueden hacer las cosas más silenciosas al dividir la carga de trabajo.

El compresor de aire de tornillo rotativo

En muchas aplicaciones industriales pesadas, un compresor de pistón no es suficiente. Para las presiones más elevadas que necesitan las herramientas neumáticas complejas y de alta potencia, los profesionales tienden a elegir compresores de aire de tornillo rotativo.

Mientras que el compresor de aire de pistón utiliza la pulsación y la alternancia de la mecánica del pistón, un compresor de tornillo rotativo es continuo. Un par de rotores se engranan para aspirar el aire y comprimirlo a medida que se desplaza por una espiral. El movimiento rotatorio mueve el aire a través de una cámara y lo expulsa. Las velocidades de rotación rápidas pueden minimizar las fugas.

Muchos tipos de compresores experimentan algunas sacudidas, lo que puede dañar el equipo y obliga a tomar medidas para minimizar las vibraciones. Por el contrario, la mayoría de los compresores de tornillo rotativo funcionan con suavidad para lograr un rendimiento uniforme y sin vibraciones.

Los compresores de tornillo pueden variar mucho, con caudales que van desde los 10 CFM hasta los que se sitúan en el rango de las 4-5 cifras. Los esquemas de control incluyen:

• Parada/arranque: Este enfoque proporciona energía al motor, o no lo hace, según la aplicación.
• Carga/descarga: El compresor se alimenta de forma continua, con una válvula deslizante que reduce la capacidad del depósito cuando se cumple una demanda de compresión específica. Este esquema es común en entornos de fábrica, y si implica un temporizador de parada, se denomina esquema de control dual.
• Modulación: La modulación también utiliza una válvula deslizante para ajustar la presión estrangulando/cerrando la válvula de entrada, adaptando la capacidad del compresor a la demanda. Estos ajustes son menos eficaces en los compresores de tornillo que en otros tipos. Incluso cuando se ajusta a una capacidad 0, el compresor seguiría consumiendo alrededor del 70% de su carga de potencia total. Aun así, la modulación es aplicable para operaciones en las que la parada frecuente del compresor no es una opción.
• Desplazamiento variable: Este esquema de control ajusta el volumen de aire que se introduce en el compresor. En los compresores de tornillo, este método puede utilizarse junto con las válvulas de entrada modulantes para mejorar la eficiencia y la precisión del control de la presión.
• Velocidad variable: La velocidad variable es una forma eficaz de controlar la capacidad de un compresor rotativo, aunque puede responder de forma diferente con distintos tipos de compresores de aire. Varía la velocidad del motor, lo que afecta a la salida. Este equipo tiende a ser más delicado que otros diseños, por lo que puede no ser adecuado para entornos de trabajo especialmente calurosos o polvorientos.

Cómo funciona la lubricación en los compresores de aire: Engrase con aceite o sin aceite

Una de las cosas más importantes que hay que saber sobre el mantenimiento de los compresores de aire es cómo funciona la lubricación. Cuando se trata de bombas de aceite, se trata de dos categorías:

• Bombas lubricadas con aceite: En este diseño, el aceite salpica las paredes y los cojinetes dentro del cilindro. Este método también se denomina lubricación por inundación de aceite y tiende a ser más duradero. Un anillo de pistón es una pieza de metal en el pistón que ayuda a crear el sello dentro de la cámara de combustión. Este anillo puede ayudar a mantener el aceite fuera del aire comprimido, pero a veces todavía puede filtrarse en el depósito.
• Bombas sin aceite: Las bombas sin aceite reciben una lubricación especial y duradera que elimina la necesidad de aceite. Las bombas sin aceite son una excelente opción en muchas industrias en las que la contaminación no es una opción, como las cervecerías, la producción de alimentos y la fabricación de productos farmacéuticos. Garantizan que ningún aceite contamine el aire que utilizan en su proceso o producto.

Las bombas inundadas de aceite son una especie de bolsa mixta. Para las herramientas eléctricas que necesitan lubricación, la presencia de aceite en la corriente de aire puede ser beneficiosa. Para las herramientas que necesitan aceite, las fuentes en línea pueden distribuir aceite en cantidades uniformes. Por otro lado, muchas herramientas pueden dejar de funcionar correctamente cuando hay incluso cantidades mínimas de aceite en la corriente de aire.

Para pintar o trabajar la madera, el aceite puede interrumpir todo el proceso. Puede impedir que los revestimientos se sequen o tengan un acabado uniforme. El aceite en el aire puede incluso corromper la superficie de los proyectos de madera.

Afortunadamente, existen herramientas para evitar la entrada de aceite en el depósito, como los filtros de línea de aire y los separadores de aceite. Aun así, cuando el aire sin aceite es fundamental para el funcionamiento, los compresores sin aceite y su lubricación permanente son la mejor opción.

Potencia de los compresores de aire: ¿Qué son los CFM?

Cuando hablamos de la potencia de un compresor de aire, solemos hablar en términos de caballos de fuerza, pero hay muchas otras formas de determinar la presión que puede proporcionar una máquina. Utilizamos los pies cúbicos por minuto (CFM) para hablar de la velocidad y el volumen con que una máquina comprime el aire. Pero la velocidad a la que el aire exterior entra en el cilindro está influida por el calor, la humedad y el viento de la atmósfera circundante.

Para tener en cuenta estos factores internos y externos, los fabricantes utilizan los pies cúbicos por minuto (SCFM) estándar, que combinan el CFM con los factores externos de presión y humedad.

Otra clasificación que puede ver es el desplazamiento de CFM, que examina la eficiencia de la bomba del compresor. Obtiene información de las revoluciones por minuto (RPM) del motor y del volumen de aire que el cilindro puede desplazar. Este número es más bien una medida teórica, mientras que también se pueden medir los CFM en términos de aire suministrado, es decir, la cantidad que se descarga realmente. Este número se llama CFM FAD, que significa entrega de aire libre, y es útil para medir la entrega a ciertas herramientas.

Bombas vs. Compresores: Dos instrumentos para aprovechar el aire

Existe cierto grado de confusión entre las palabras "bomba" y "compresor", ya que muchos creen que son la misma cosa. En realidad, la distinción entre los dos es una parte crucial al hablar de los compresores de aire:

• Una bomba toma líquidos o gases y los mueve entre lugares.
• Un compresor toma un gas, lo reduce a un volumen menor y a una presión mayor y lo envía a otro lugar.

La diferencia más significativa es que una bomba puede trabajar con líquidos, mientras que un compresor no. Los líquidos son mucho más difíciles de comprimir. Puede encontrar una bomba dentro de un compresor, como en un compresor de aire alternativo: la parte que realiza la compresión es una bomba. Las funciones de las bombas y los compresores pueden coincidir en máquinas en las que la presión aumenta con cada revolución.

Por ejemplo, una bomba de neumáticos. Aunque realiza ambas tareas -mover el aire y reducir su volumen-, su objetivo es trasladar el aire exterior a otro lugar, al espacio hermético del neumático. Como su objetivo no es reducir el volumen, no se considera técnicamente un compresor. Un ejemplo alternativo sería el uso de herramientas neumáticas, que requieren aire comprimido. El dispositivo que reduce el volumen del aire es un compresor.

Las bombas de aire suelen pertenecer a una de estas dos categorías:

• Bombas recíprocas, que se mueven de un lado a otro. Una bomba de bicicleta es una bomba recíproca, en la que el cilindro aspira el aire exterior con un movimiento de vaivén y lo introduce en el neumático.
• Las bombas rotativas, también llamadas centrífugas, que giran. Una bomba rotativa utiliza un impulsor, que es básicamente una hélice cerrada. Tiene aspas que mueven el fluido entrante y lo envían a través de una salida a gran velocidad. Esta bomba utiliza energía motorizada para arrastrar fluidos de un lugar a otro, y no debe confundirse con una turbina, que capta fluidos que ya están en movimiento.

El aire comprimido en la vida cotidiana

Desde taladros neumáticos y sistemas de frenado hasta unidades de climatización, una amplia gama de herramientas y máquinas neumáticas hacen que la vida cotidiana sea cómoda, segura y eficiente. En casi todos los edificios por los que pasea o pasa en un día cualquiera, las herramientas neumáticas han ayudado a alguien a lijar la madera, pintar las paredes y martillar vigas y placas de yeso en su lugar. En los talleres de todo el mundo, la gente utiliza el aire comprimido para dar capas de pintura y eliminar el polvo y los residuos.

No deja de ser sorprendente que la humanidad haya descubierto la forma de tomar el aire ambiente, quizá el recurso más abundante del planeta, y transformarlo para alimentar equipos motorizados con una amplia variedad de fines.

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Última actualización el 22 de octubre de 2021 a las 15:30