TIPO
DE COMPRESORES
Se tienen dos grupos básicos de compresores. En los de desplazamiento positivo (flujo
intermitente) el aumento de presión se consigue confinado el gas de un espacio
cerrado, donde posteriormente el volumen se reduce por una acción
mecánica. En los compresores de flujo
continuo dinámico el aumento de presión se obtiene comunicando energía cinética
al flujo constante de gas y convirtiendo esta en energía de presión por medio
de un difusor.
Se describen a continuación los compresores
reciprocantes, de tornillos rotativos y centrífugos, puesto que son los más
utilizados en la industria.
1. COMPRESORES
RECIPROCANTES
Son máquinas
en las cuales la compresión y el desplazamiento se efectúa por la acción
positiva de un pistón que está reciprocando dentro de un cilindro.
El elemento básico de compresión reciprocante es un
simple cilindro comprimiendo un solo lado del pistón, esto es para compresor de
simple efecto. Una unidad comprimiendo
en los lados del pistón es de doble efecto.
El compresor reciprocante usa válvulas automáticas de
resorte que se abren únicamente cuando la presión diferencial adecuada existe a
través de la válvula.
Las válvulas de admisión se abren cuando la presión en
el cilindro es ligeramente menor a la presión de admisión. Las válvulas de descarga se abren cuando la
presión en el cilindro está un poco por encima de la presión de descarga.
El
funcionamiento de las válvulas es asistido por pequeños muelles que ayudan a
acelerar el movimiento de cierre.
El diseño y calidad de la válvula son decisivos para
muchos de los datos de funcionamiento del compresor tales como el consumo
especifico, el rendimiento volumétrico, los costos de mantenimiento y la vida
de servicio.
Muchos problemas de compresión involucran condiciones
que están más allá de la capacidad de una sola etapa de compresión. Una alta relación de compresión (la presión
de descarga absoluta divida por la presión absoluta de admisión) puede causar
una temperatura de descarga excesiva u otros problemas.
Por lo tanto se hace necesario combinar elementos o
grupos de elementos en series para conformar una unidad multi-etapa, en el cual
habrá dos o más pasos de compresión. El
gas frecuentemente es enfriado entre etapas para reducir la temperatura y el
volumen que entra a la siguiente etapa.
Los cilindros están proporcionados de acuerdo a la relación
de compresión total, las etapas se van reduciendo en volumen proporcionalmente,
puesto que el gas ha sido comprimido parcialmente y enfriado en la etapa
anterior, y por lo tanto ocupa menos volumen.
De acuerdo con las experiencias que se han tenido en
la industria, una buena rentabilidad del equipo se obtiene trabajando en los
siguientes rangos de presión, de acuerdo con el número de etapas:
0- 80 PSIG
Una etapa
80- 200 PSIG
Dos etapas
200 ó más PSIG
Tres etapas ó más
Las partes de un compresor de simple efectos con dos
etapas y uno de doble efecto y una etapa se muestran en la figura.
CICLO DE COMPRESIÓN EN UN COMPRESOR RECIPROCANTE.
Se explica el ciclo bajo un diagrama teórico P vs. V
para un compresor de una etapa.
Diagrama A
Muestra el elemento básico con el cilindro lleno de
aire atmosférico. El punto 1 es el
inicio de compresión. Las válvulas de
admisión y descargas están cerradas.
Diagrama B
Muestra la carrera de compresión, el pistón se ha
movido hacia la izquierda, reduciendo el volumen original del aire acompañado
por el aumento de presión. Las válvulas
aún permanecen cerradas. La compresión
se da del punto 1 al punto 2 que es cuando la presión del cilindro a alcanzado
la del tanque.
Diagrama C
Es el momento en que el pistón esta completando la
carrera de descarga. Las válvulas de
descarga se abren justo después del punto 2.
El aire comprimido fluye a través de las válvulas de descarga hacia el
tanque.
Diagrama D
Después de que el pistón alcanza el punto 3 la válvula
de descarga se cierra dejando el espacio muerto (clearance) lleno de aire a la
presión de descarga. Tanto las válvulas
de admisión y descarga permanecen cerradas y el aire atrapado en el espacio
muerto aumentará de volumen causando una reducción en la presión, esto
continua, hasta que la presión en el cilindro disminuye por debajo de la
presión de admisión en el punto 4.
Diagrama E
La válvula de admisión ahora se abre y el aire empieza
a fluir hacia el interior del cilindro hasta que finaliza la carrera de
admisión. Las válvulas de admisión se
cierran, punto 1, y el ciclo se repite en la siguiente revolución cigüeñal.
En un compresor reciprocante de dos etapas, los
cilindros están proporcionando de acuerdo a la relación de compresión total, el
cilindro de la segunda etapa es más pequeño por que el aire habiendo sido ya
parcialmente comprimido y enfriado ocupa menos volumen que en la primera etapa.
Las condiciones antes de empezar la compresión son los
puntos 1- 5 para la primera y segunda etapa respectivamente, después de la
compresión los puntos 2- 6, y de las descargas en los puntos 3- 7. La expansión del aire atrapado en el espacio
muerto a medida que el pistón se regresa nos lleva a los puntos 4- 8 y en la
carrera de admisión los cilindros son llenados nuevamente en los puntos 1- 5 y
el ciclo se establece para su repetición.
Las etapas múltiples para cualquier compresor de
deslizamiento positivo siguen el patrón descrito anteriormente.
2. COMPRESORES
ROTATIVO DE TORNILLO
En el
mercado se conocen comúnmente con el nombre de compresores de tornillo. Es una máquina con dos rotores que comprime
gas entre las cámaras de los lóbulos helicoidales entrelazados y la carcaza. El elemento básico es la carcaza en su
ensamble de rotores. Los lóbulos en los
rotores no son idénticos. El rotor que
tiene cuatro lóbulos convexos se
denomina rotor macho y el rotor que tiene seis lóbulos cóncavos se llama
hembra.
El rotor
macho o guía (rotor principal) consume alrededor del 85 al 90% de la potencia y
el hembra o guiado requiere a lo sumo sólo del 10 al 15% de la potencia total.
En este tipo
de compresores el gas se comprime y se desplaza con una rotación de presión
estable. La carencia de válvula de
aspiración e impulso y la inexistencia de fuerza mecánicas desequilibradas,
hacen que el compresor de tornillo pueda funcionar a altas revoluciones.
Existen dos
tipos de estos compresores, uno usa piñones acoplados para mantener los dos
rotores en fase todo el tiempo. Esta
clase no requiere lubricación y el sello entre lóbulos lo hacen las pequeñas
tolerancias. El segundo tipo usa un baño
de aceite a lo largo de la máquina para lubricar, sellar y enfriar el gas
comprimido.
Estas
unidades tienen compresión interna. La
relación de compresión se determina o diseña de acuerdo con la localización de
los bordes de las entradas, la abertura de descarga y el ángulo de
enrollamiento de los lóbulos.
La operación
de compresión en la cámara de aire:
1.
El bolsillo de rotor guiado está totalmente abierto y
se llena con el gas de admisión. El
bolsillo del rotor principal está abierto hacia la admisión. Pero todavía no está lleno en toda su
longitud.
2.
El bolsillo del
rotor guiado se ha cerrado y el bolsillo del rotor principal se ha llenado,
pero aún esta abierta la admisión.
3.
Los lóbulos se han entrelazado, los bolsillos que
casan se juntan y empieza a acortarse.
4.
El bolsillo de la espiral se hace más pequeño. El gas
se comprime a medida que es desplazado anualmente hacia el extremo de descarga. A lo largo de la secuencia de 1 a 4 la
cubierta del extremo de descarga ha sellado el bolsillo.
5.
La descarga ha sido descubierta y el gas comprimido se
descarga.
Es posible
tener doble-etapa haciendo un arreglo de máquinas en serie. Ocasionalmente las dos etapas están en la
misma carcaza conectadas por ductos internos.
En la figura
se ilustra el ciclo de compresión en un compresor rotatorio de tornillos. En
este equipo existen tres circuitos a saber un circuito eléctrico, un circuito
de aceite y por último un circuito de aire. Se hará énfasis en los dos últimos.
1.
Inicialmente el aire atmosférico entra a la unidad a
través del filtro de admisión. El aire
entra a la unidad por el vacío que generan los rotores al girar en sentido inverso.
2.
Se realiza la compresión de la mezcla aire / aceite en
la unidad.
3.
La mezcla aire / aceite ya comprimida se descarga de
la unidad compresora, pasa por el cheque para entrar al módulo del elemento
separador. El cheque sirve como prevención,
puesto que el flujo de la mezcla se realiza por presión diferencial. Al existir
un corte de energía el aceite tiende a salir por admisión, ya que es donde hay
menor presión, reteniendo el cheque a la descarga.
4.
El módulo separador realiza la separación de aire y
aceite. La mezcla entra por la parte
inferior del módulo en forma tangencial, creando un movimiento circular a la
mezcla. Las partículas de aceite que son
más pesadas se decantan en el fondo del módulo.
Pequeñas cantidades de aceite aún siguen el trayecto con el aire
entrando a un elemento separador de fibra coalescente que es donde se realiza
la separación total de aire y aceite.
El efecto coalescente consiste en tomar la neblina del
aire / aceite hacerla pasar por varios orificios que se concentran en un solo
orificio generando así más gotas de aceite y dejar pasar sólo aire comprimido.
Es en el módulo separador donde se originan los dos
circuitos: de aire y de aceite.
5.
Circuito de aire.
Siguiendo con el trayecto del aire, al salir del módulo pasa por un
post-enfriador, el cuál puede ser con intercambiador de aire/ agua o aire/ aire
tipo radiador.
Con el intercambiador de calor aire/ agua generalmente
se logra una diferencia de temperatura fría de25° F y en el intercambiador
aire/ aire 15° F.
6.
Por último el aire pasa por una trampa con drenaje
automático, que retiene parcialmente el condensador de aire al ser enfriado,
para ser suministrado a la planta.
7.
Circuito de aceite. Recordemos que el aceite tiene triple
función: sellar, enfriar y lubricar. Al
salir del módulo el aceite pasa por una válvula termostática, en la cual se
define que cantidad de aceite debe ser enfriado, debido a que todo el aceite no
puede ser enfriado ya que hay que mantener una temperatura de compresión
estable para evitar posibles condensados de aire en la unidad y crear
cavitación.
8.
La cantidad de aceite que se necesita enfriar se hace
pasar por el intercambiador de calor aire/ agua o aire/ aire.
9.
Al salir del intercambiador se pasa por el filtro
aceite, donde se retienen las posibles suciedades.
10. Después de filtrado el aceite llega a un distribuidor,
donde se reparte el aceite a los rodamientos, engranajes y a la unidad.
Para las
unidades de tornillo no lubricamos se utiliza un enfriamiento por agua, para
remover el calor de compresión.
El sistema
de control de capacidad se hace normalmente por un sistema electro-neumático
mecánico. Aunque en los últimos años se han lanzado al mercado compresores de
tornillo controlados con un microprocesador, con el cual se tiene un
considerable ahorro de energía.
El sistema
de control gobernado con un microprocesador, se logra por un transductor
instalado en el equipo, el cual toma todas las señales y las convierte en
electrónicas. El panel de control tiene un seleccionador donde se escoge el
parámetro a chequear, el cual mediante un mensaje alfanumérico presenta el
valor de operación.
3. COMPRESORES
DE FLUJO CONTINUO
En este tipo
de compresores el tema se centralizará en los compresores dinámicos
centrífugos, ya que los demás compresores por su aplicación especial y escasa
no es del caso mencionarlos.
COMPRESORES
DINAMICOS
La
compresión en un compresor dinámico depende de la transferencia de energía que
se le entrega al gas por medio de un
juego de aspas girando. El rotor cumple con esta transferencia de energía
cambiando el momentum y la presión del gas.
El momentum, relacionado con la energía cinética, es convertido en
energía de presión útil mediante la desaceleración del gas corriente bajo. Un difusor estacionario o en otro juego de
aspas.
Los
compresores dinámicos no requieren lubricación interna y pueden suministrar
aire libre de aceite.
COMPRESOR
CENTRÍFUGO
El compresor
centrifugo tiene un impulsor con alabes radiales o inclinados y hacia
atrás. El gas es obligado a pasar a
través del impulsor por la acción mecánica de los alabes. La velocidad generada se convierte en
presión, parcialmente en el impulsor (la cantidad depende del diseño) y
parcialmente en los difusores estacionarios que se encuentran inmediatamente
después del impulsor. Se muestra en
ambas secciones radial y longitudinal un compresor centrifugo de una
etapa. Este utiliza un difusor radial y
un colector de gas tipo voluta terminado en un difusor de voluta.
Los
compresores centrífugos multi-etapa utilizan dos o más impulsores dispuestos
para flujo en serie, cada uno con difusor radial y canal de retorno separando
los impulsores.
Para comprender
mejor el ciclo de compresión en este tipo de compresores, sigamos el flujo de
gas.
1.
El aire tiene su entrada por el centro del impulsor el
cual imparte velocidad al gas, la dirección que toma es radial. La admisión se da por que se crea un vacío en
la boca del compresor, debido al perfil que tienen los alabes.
2.
El aire es dirigido al difusor, que es donde la
totalidad de la energía cinética se convierte en presión. Este cambio se debe
al choque de las partículas con la pared del difusor. Este principio se puede experimentar
fácilmente si usted le pone la mano al flujo de aire que genera un
ventilador. En la mano se siente el
choque y en la cara posterior se siente presión.
3.
Al salir del difusor el gas sigue la dirección, para
entrar al interenfriador aire/ agua, en este caso de seis pasos, en este punto
se disipa el calor de compresión. El
condensado de agua es removido por trampas con drenaje automático.
4.
El aire entra a la segunda etapa, el impulsor es de menor
diámetro debido a que el volumen se ha reducido, el gas se comprime bajo el
mismo principio que en la primera etapa.
5.
El aire después de pasar por el difusor de la segunda
etapa entra al post-enfriado donde el aire comprimido es ya suministrado a la
planta.
La relación entre etapas se determina en función del
cambio de velocidad y de la densidad del gas.
Los intercambios de calor se hacen voluminosos debido
a que estos tipos de compresores son muy sensibles a la caída de presión.
Las unidades centrífugas comercialmente operan en su
mayoría a unas 20000 revoluciones por minuto con fuerte tendencia a aumentar.
La cantidad mínima de un compresor centrífugo esta
limitada principalmente por el flujo de la última etapa. Como límite práctico se puede emplear 340
pies cúbicos por minuto en modelos de carcasa con participación horizontal.
PARALELO ENTRE COMPRESOR ROTATIVO DE TORNILLO Y
RECIPROCANTE.
En el medio industrial es muy frecuente encontrarse
con la pregunta ¿entre un compresor de tornillo y uno de pistón cuál es mejor?
La respuesta es inmediata: el uno no es mejor que el
otro, cada uno con sus características de diseño y parámetros de operación se
comporta mejor frente al sistema, y aunque tienen mecanismos y regulación de
control diferente las dos máquinas son confiables.
Para ayudar un poco a seleccionar el compresor más
adecuado para satisfacer las necesidades de la planta, mostramos el siguiente
paralelo entre las dos máquinas.
1.
Temperatura de compresión.
Debido a que el compresor rotatorio de tornillo se
encuentra totalmente embebido de aceite, el aumento de la temperatura del aire
comprimido con respecto a la ambiental es de aproximadamente 39° C a 100 PSIG,
cuando en un compresor recíproco es mayor el aumento de la compresión.
2.
Aire a la admisión.
Debido a las tolerancias tan estrechas que se tienen
entre los motores del compresor de tornillo exige una mejor calidad de aire
atmosférico. Los fabricantes tienen la
opción de ofrecer un filtro de admisión de alta eficiencia para remover las
partículas finas que se encuentran en suspensión en el aire de admisión.
3.
Unidad compresora
El compresor rotatorio de tornillo se ofrece como
paquete compacto el cual ocupa menos área para la instalación que un compresor
reciprocante de la misma capacidad.
4.
Mantenimiento.
Es muy arriesgado decir cual genera más costos de
mantenimiento, ya que depende del tipo de planta y la aplicación. Algunas
diferencias son:
· En el
compresor reciprocante se encuentran más partes en movimiento y en contacto que
prestan desgastes, que hay necesidad de inspeccionar con mayor frecuencia, pero
no necesita mano especializada. Además,
debido a que trabaja a bajas revoluciones se logra una vida alta de las partes,
combinado con una buena lubricación.
· Los
compresores de tornillos se presentan menos partes en movimiento e inspección
ya que el desgaste por contacto se presenta únicamente en los rodamientos los
cuales trabajan a altas revoluciones.
Existen partes criticas en estos equipos tales como el sistema de
lubricación que exigen un alto cuidado en el aceite, filtro de aceite y
separador aire/ aceite.
5.
Instalación.
La mayoría de los fabricantes presenta el compresor de
tornillo como una unidad compacta y montada sobre base, lo que hace que el
compresor sea de fácil transporte e instalación. Además como su nivel de vibración es bajo no
necesita cimientos especiales. Mientras
en un compresor reciprocante se necesita fundación especial, aunque se tenga un
balanceo perfecto.
6.
Costos.
En unidades por encima de 25 HP el compresor rotatorio
de tornillo se hace con una inversión mucho más favorable que un compresor
reciprocante.
7.
Sistema de control.
El compresor reciprocante exige un rango de regulación
más amplio que en los de tornillo. En
las máquinas de pistón el rango es de 25 PSIG, mientras en los tornillos es de
3 PSIG, lo que significa un consumo de potencia mayor, los consumos de potencia
hay que evaluarlos de acuerdo a la eficiencia de la máquina, y al parámetro
anterior que da una base del consumo total de energía.
MANTENIMIENTO
El tema se centralizará en los compresores
reciprocantes y rotatorios de tornillos, puesto que son los más comunes en las
instalaciones de aire y haciendo un gran énfasis en los compresores
reciprocantes.
El mantenimiento de cualquier máquina se puede
describir como “la circunstancia de mantener un equipo en un estado particular
o condición de operación”. Esto se
diferencia de las reparaciones, ya que estas consisten en la restauración de un
equipo a condición anterior u original de “como nuevo”. Un compresor es en general:
1.
Un respirador de aire: Necesita aire fresco y limpio.
2.
Un consumidor de energía: Necesita energía eléctrica adecuada.
3.
Un generador de calor: Necesita un adecuado suministro de
enfriador.
4.
Un generador de agua condensada: Necesita drenajes.
5.
Un usuario de aceite: Necesita un lubricante de
calidad y en cantidad apropiada.
6.
Un vibrador: Necesita fundaciones y tuberías
apropiadas.
En un clima
monetario actual, se hace énfasis en la economía de operación y la reducción de
los costos generales fijos de los compresores.
Los fabricantes de este tipo de máquinas diseñan y construyen máquinas
que cumplen con los requisitos reales mucho más estrecho, lo que hace que el
mantenimiento y la correcta operación tomen mayor importancia.
Se tiene
cierto concepto ideal sobre lo que el mantenimiento de compresores debe
ser. El mantenimiento por parte del
usuario esta limitado en general por el presupuesto, el personal disponible, la
destreza de dicho personal, los requerimientos de producción, etc. Siendo en
muchos casos no estar relacionado con lo que el compresor requiere, y queda
limitado a lo que el usuario puede hacer, convirtiendo entonces en un
compromiso y llegan a un punto medio entre el ideal y la falta absoluta de
resultados.
El
mantenimiento es una inversión en la continuación de la operación económica del
compresor. El segundo beneficio más
importantes la continuidad de la operación y un mínimo de interrupción no
programada de la operación y reparaciones de emergencia. Cabe anotar en este
instante que el reemplazo de piezas rotas conduce al manejo de crisis.
De los
planteamientos hechos anteriormente puede surgir la pregunta ¿cómo puede
entonces un ingeniero de planta o un superintendente de mantenimiento enfocar
el problema de la programación y ejecución del mantenimiento de los
compresores?
A.
Hacer un inventario de los compresores instalados.
1.
Cantidad, localización en planta, tipo de compresor.
2.
Determinar el ciclo de trabajo, tiempo cargando vs.
tiempo descargando de cada compresor.
B.
Determinar la disponibilidad de capacidad de aire en
reserva en cada área deservicio.
1.
Evaluar los efectos de una interrupción de la
operación en cada área para predecir el aspecto de crisis de un compresor que
esté temporalmente fuera de servicio.
2.
A partir de estos efectos, se podrá establecer áreas
críticas y asignar prioridades en los programas de mantenimiento.
C.
Determinar requerimientos diarios normales de cada
unidad.
1.
Aceite.
2.
Chequeos visuales y audibles.
3.
Establecer hoja de registro de rutina para ser llevada
por las personas responsables de la máquina.
4.
Revisar las hojas conjuntamente con el personal.
5.
Planear con anticipación como resultado de estas de registro:
piezas en existencia, reemplazamiento de piezas, chequeos periódicos, etc.
Como
complemento a los aspectos anteriores miremos los siguientes puntos que aunque
inicialmente no se consideran dentro los parámetros de mantenimiento, si
influyen directamente en los equipos. En
primer lugar está la localización del compresor. El costo de espacio actualmente es alto en
cualquier planta. Sin embargo, una
localización inadecuada por ahorrar área es una falsa economía. Debe haber suficiente espacio alrededor y por
encima de la unidad para hacer el trabajo de rutina diaria. Se debe dejar espacio también para: adecuada
recirculación del aire con el fin de evitar sobrecalentamientos del motor y de
otros dispositivos eléctricos sensibles como también del aire de admisión. Si la unidad se instala en un sitio donde es
difícil encontrarla, verla o moverla alrededor de ella, el personal de
mantenimiento hallará una excusa para evitarla, es una reacción humana normal.
En segundo
lugar está el filtro de aire de entrada.
Un compresor de aire es un respirador.
Si se le suministra aire sucio, húmedo y cargado de abrasivos entonces
la vida útil de los elementos internos del compresor se acortarán
considerablemente. Ponga el filtro de
admisión en un lugar limpio, pero localícelo donde sea accesible para servicio
conveniente.
El compresor
prestará un mejor servicio si:
1.
Lo mantiene limpio.
2.
Lo mantiene adecuadamente enfriado.
3.
Lo mantiene debidamente aceitado.
En cuanto a
lubricación se puede hacer los siguientes comentarios:
1.
Seleccione un aceite que cumpla las especificaciones
del fabricante del compresor. Consulte
el manual de instrucciones para las especificaciones exactas.
2.
Lleve registros sobre cuanto usa y cuando se hacen los
cambios.
Los
registros deben ser los más sencillos posible.
En las unidades pequeñas enfriados por aire reciprocante, una simple
etiqueta fijada a la unidad es suficiente.
Para las
unidades más grandes y enfriadas por agua se deben llevar un registro mas
elaborado. Sin embargo no se deben
llevar demasiado pesados con datos incompresibles. El propósito de los registros es establecer
el reconocimiento exacto de las funciones de mantenimiento periódico y llevar
un historial con él, con el agua se puede proyectar el mantenimiento futuro.
En resumen,
el mantenimiento de los compresores se realiza mejor si tiene en cuenta las
siguientes sugerencias:
1.
Ubique la unidad en un área accesible.
2.
Manténgala limpia por dentro y por fuera.
3.
Manténgala enfriada.
Lleve control del agua de enfriamiento.
Si la unidad es enfriada por agua.
4.
Manténgala lubricada.
Controle la cantidad y la calidad del aceite.
5.
Lleve registro del tipo que le convenga a sus
necesidades. Le ayudará a determinar los
intervalos de mantenimiento preventivo.
6.
Concéntrese en lo que usted realmente puede ser con
los recursos disponibles.
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Principios físicos y Leyes de los gases
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Las condiciones de un gas se definen mediante tres
variables de estado, que son: Presión absoluta (P), volumen específico (v, o
densidad, ?) y temperatura absoluta (T). Cuando se conocen dos de ellas,
queda determinada la condición del gas, debido a la relación que existe entre
ellas. A esta conclusión se llegó a través de la experimentación y las leyes
que se enuncian a continuación en la siguiente tabla.
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Tabla 1.4. Leyes de los gases
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• Ley General de Los Gases
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La composición química del aire comprimido, hace que
lo podamos tratar como un gas ideal. Si usamos las leyes anteriormente
descritas y las combinamos, a través de desarrollos matemáticos, llegaremos a
la siguiente fórmula:
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(1.8)
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La fórmula es la general para los gases ideales.
Sustituyendo todas las leyes en una misma fórmula, y teniendo en cuenta que
un mol de gas en condiciones estándar ocupa un volumen de 22,4 litros, se
puede demostrar que tenemos:
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(1.9)
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Con P la presión absoluta en atmósferas, V el
volumen en litros, n el número de moles, R constante e igual a 0.082
(atm*L)/(K*mol) y T es la Temperatura en Kelvin.
Es importante saber que se definen unos estados de referencia que se usan a
la hora de realizar cálculos mediante estas ecuaciones, y son las denominadas
condiciones normales o estándar, término definido por la IUPAC (International
Union of Pure and Applied Chemistry) que considera una temperatura de 0 °C
(273,15 K) y una presión absoluta de 100 kPa (0,986 atm, 14,504 psi). Existen
otras condiciones estándar, como la versión del NIST (National Institute of
Standards) en la que la temperatura de referencia es de 20 °C (293,15 K) y la
presión absoluta de 101,325 kPa (1 atm, 14,696 psi).
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PROPIEDADES DE LOS GASES
LA LEY DE BOYLE
“A temperatura constante, la presión de una masa dada de gas es inversamente
proporcional a su volumen”
Figura 3.5 Ilustración de la ley de Boyle
Si el volumen V1 =
1 m3 a una presión absoluta de 100 kPa (1 bar ABS) se comprime a
temperatura constante a un volumen V2 =
0.5 m3, entonces:
es decir,
Nuevamente, si el volumen V1 a
100 kPa se comprime a V3 = 0.2 m3,
entonces la presión resultante :
LEY DE CHARLES
“A presión constante, una masa de gas dada aumenta en volumen a razón de 1/273
de su volumen por cada grado Celsius de aumento de temperatura”.
LEY DE GAY LUSSAC
“A presión constante, el volumen de un gas aumenta en proporción a la
temperatura“, por lo tanto,
TRANSFORMACIÓN ISOCÓRICA
“Con un volumen constante, la presión es proporcional a la temperatura”, por lo
tanto,
(En las expresiones superiores se debe utilizar la escala de
temperatura Kelvin, es decir °C+ 273 = °K)
Las relaciones anteriores se combinan para proporcionar la
“ecuación general de los gases perfectos“.
Esta ley proporciona una de las bases teóricas principales para el
cálculo a la hora de diseñar o elegir un equipo neumático, cuando sea necesario
tener en cuenta los cambios de temperatura.
TRANSFORMACIÓN ADIABÁTICA
Las leyes anteriores se referían siempre a cambios lentos, con solamente dos
variables cambiando al mismo tiempo. En la práctica, por ejemplo, cuando el
aire entra en un cilindro, no tiene lugar un camino de estas características,
sino un cambio adiabático. La ley de Boyle de p V = cte. cambia a p V k =
cte.
El diagrama ilustra la diferencia con suficiente claridad. Vemos
que tenemos una pérdida de volumen cuando la presión aumenta rápidamente. Nos
encontramos nuevamente esta ley, cuando hablemos acerca del consumo de los
cilindros.
Ley básica
Cálculo del caudal de aire
El caudal es equivalente a la cantidad de aire comprimido transportado en
una sección dada por unidad de tiempo.
Q = A1.V1 = A2.V2
Q : caudal (cfm)
A : sección de caudal (ft²)
V : velocidad (ft/min)
La unidad de caudal del sistema internacional es el metro cúbico/segundo
(m3/s), pero normalmente utilizamos l/s, m3/h o cfm. Esto varía dependiendo de
varios factores y, en concreto, de la presión del aire y de la longitud/el DI
del tubo que transporta el aire comprimido. .
Cálculo de la caída de presión
Cuando fluye aire comprimido en un tubo recto, el caudal puede depender de
dos factores: la tasa laminar o la tasa de turbulencia, dependiendo del valor
del número de Reynolds (R).
, obtenemos las siguientes fórmulas generalizadas, fáciles de recordar: 
es considerado positivo si sale del volumen de control, el cual en este
caso contiene al fluido en su paso a través de la turbina; 
es la velocidad, 
es la energía interna, 
es la presión, 
es la altura, 
es el calor transferido por unidad de masa y 
es el volumen específico. Los subíndices 
se refieren a la salida y 
se refieren a la entrada. Para simplificar nuestro trabajo haremos las siguientes consideraciones:
es la entalpía la cual se define como 
.
![L=u[c_1\cos(\alpha_1)-c_2\cos(\alpha_2)]\,](https://lh3.googleusercontent.com/blogger_img_proxy/AEn0k_viRFcTp7iZWkWewj1bG3mtk81DNjfX2S2wB316HQNCR7O7VOse9fMeK1NvlHSB4x0wTvTWEZLMLCvcyVL5R4DcIJGJ3OhKNqg1XdmJ-EGgg1bQtR89tIA7NsXZFEIkTB1qOYYoIA118ytWoIrNLcprNEYS3lo5KORaFcQ=s0-d)
y 
son las velocidades absolutas del fluido de trabajo antes y después de pasar por el rotor respectivamente, 
y 
son los ángulos entre la velocidad absoluta y la velocidad periférica
antes y después de pasar por el rotor. Si introducimos el concepto de velocidad relativa
, que es la velocidad del fluido respecto al rodete, y definimos el ángulo 
como aquél que existe entre la velocidad periférica y 
