PRINCIPIOS DE COMPRESORES RECIPROCANTES(Video)

Cuando el gas y el petróleo se extraen juntos, al ser separados, usualmente el gas no tiene la suficiente presión para entrar en la línea de transmisión. El gas de alta presión también es necesario en algunos campos para propósitos de extracción e inyección, por lo tanto debe proveerse un método para incrementar la presión del gas natural y aquí es cuando los compresores recíprocos hacen su papel.

INTRODUCCION

El compresor reciprocante mas simple y el más familiar es la bomba de bicicleta usada para inflar variados elementos.

Por reciprocante entendemos el movimiento del pistón de un lado a otro de un cilindro, la presión del aire se incrementa por el empuje del pistón encerrado en un cilindro. El compresor de campo más común es reciprocante, la presión del gas en el compresor aumenta con el empuje del pistón encerrado en un cilindro.

Los compresores recíprocos son de desplazamiento positivo, es decir que el pistón descarga y reemplaza un volumen fijo de aire o gas, donde la fuerza del pistón eleva la presión del gas y el gas es descargado cuando el pistón ocupa su lugar en el cilindro.

El movimiento del pistón de un extremo a otro del cilindro es la carrera (Stroke). Una carrera de compresión (Forward Stroke) es cuando el pistón se aleja del punto muerto inferior del compresor. El movimiento del pistón hacia su punto muerto inferior es la carrera de succión (Back Stroke). La carrera completa (Full Stroke) es cuando el pistón se mueve de un extremo del cilindro al otro y regresa a su posición original.

Un compresor que comprime gas en un lado del pistón solamente, se llama de acción simple (Single-Acting Compressor). El gas es succionado dentro del cilindro a través de la válvula de succión durante la carrera de succión, en la carrera de compresión, el gas es comprimido y descargado a través de la válvula de descarga.

El compresor de doble acción, comprime el gas, tanto en la carrera de compresión como en la de succión. En la de compresión el gas es succionado dentro del cilindro a través de la válvula de succión ubicada en el lado de su punto muerto inferior, al mismo tiempo el gas es comprimido y descargado por el lado opuesto del punto muerto inferior. En la carrera de succión el proceso se invierte, el gas es succionado dentro del cilindro por el lado opuesto del punto muerto inferior y descargado por el lado de su punto muerto inferior.

Un compresor reciprocante típico cuenta con la unidad de compresión, la unidad de transmisión y la pieza de distancia. La unidad de compresión, comprime el gas. La unidad de transmisión suministra la energía. La pieza de distancia es la caja que une las dos unidades.

El compresor reciprocante tiene numerosas partes móviles, por lo tanto es crucial la lubricación de las unidades de compresión y transmisión para que la operación del compresor se realice de forma adecuada.

Dentro del compresor, la temperatura aumenta debido a la fricción de las partes que se mueven y al gas comprimido, para eliminar este calor se requiere también de un sistema de enfriamiento.

UNIDAD DE COMPRESION

La parte de la unidad de compresión que esta mas lejos de la unidad de transmisión es el cabezal (Head End), el extremo más cercano a la unidad de transmisión es el que esta hacia el carter (Crank End), dentro del cilindro hay un pistón de doble acción. Rodeando al cilindro dentro de la cubierta del compresor están, las cubiertas del gas. Usualmente la cubierta está dividida en dos partes: superior e inferior. La superior es la de la succión que suministra gas al cilindro (Suction Gas Jacket). La de descarga de gas en la parte inferior (Discharge Gas Jacket), recibe el gas comprimido.

Una línea de succión conecta al compresor a la fuente de gas, el gas es succionado dentro del cilindro desde la cubierta de succión de gas a través de las válvulas de succión. El gas comprimido es descargado a través de las válvulas de descarga, a la cubierta de descarga de gas. La línea de descarga conecta esta unidad de compresión a la unidad siguiente o gasoducto.

Una vez que un compresor reciprocante se pone en funcionamiento, se establece un flujo continuo de gas.

En la carrera de succión, la presión en el extremo hacia el carter del cilindro aumenta. Cuando esta presión excede a la presión que hay en la cubierta de descarga de gas, la válvula de descarga del extremo hacia el carter del cilindro se abre. El gas es descargado del extremo hacia el carter del cilindro, al mismo tiempo que el movimiento del pistón en su carrera de admisión aumenta la presión en el extremo hacia el carter del cilindro, se reduce la presión en el cabezal. Cuando dicha presión es menor a la de la cubierta de succión de gas, se abre la válvula de succión del cabezal y el gas entra al cilindro.

En la carrera de compresión, se comprime y se descarga el gas que está en el cabezal del cilindro, mientras que un nuevo gas penetra por el lado del extremo hacia el carter del cilindro. El proceso comienza nuevamente con la carrera de succión.

En los compresores se usan varios tipos de válvulas, una válvula típica de compresor reciprocante de trabajo pesado, es la válvula de placa, en esta, la parte que hace contacto con el asiento de la válvula, es una placa de metal plana, esta placa se aprisiona contra el asiento por un juego de resortes.

Las válvulas de succión y de descarga son piezas idénticas, su función como válvula de succión o de descarga depende solamente de su ubicación en el cilindro. La válvula de succión se abre cuando la presión de gas dentro del cilindro es menor a la de la cubierta de succión de gas. Cuando la relación de la presiones se invierte, los resortes cierran la válvula. Para abrir la válvula de descarga, la presión de gas dentro del cilindro debe exceder la que existe dentro de la cubierta de descarga de gas. Cuando la relación de las presiones se invierte, los resortes cierran la válvula.…Los compresores deben tener un mecanismo que elimine parte del calor generado por el proceso de compresión. En un compresor reciprocante pequeño como el compresor de aire, hay unas aletas que rodean al cilindro para eliminar parte del calor incrementando la superficie de transferencia de calor lo cual se denomina enfriamiento por aire. Pero en la mayoría de compresores reciprocantes de trabajo pesado, el enfriamiento por aire no elimina el suficiente calor.

Por lo tanto el cilindro y el cabezal de estas unidades más grandes, tienen cubiertas (Cooling Jacket) que permiten la circulación de un líquido refrigerante, este líquido generalmente es agua. El agua también, para ayudar al proceso de intercambio de calor, circula a través de un radiador aéreo, que elimina más calor.

Cilindro. Los extremos del cilindro están equipados con cabezales removibles, estos cabezales, cabezal de cabezal y cabezal de carter, pueden contener también conductos de enfriamiento. Dentro del cabezal de carter hay un juego de anillos metálicos de empaque (Packing Rings), estos anillos previenen la fuga de gas por los alrededores de la varilla del pistón, cuando el pistón alterna dentro del cilindro, la fricción que causa dicho movimiento origina desgaste en el cilindro, por esto la mayoría de cilindros contienen una camisa y los pistones también contienen anillos, un cilindro puede ser reparado varias veces con solo reemplazar las camisas y los anillos, sin tener que reemplazar toda la unidad de compresión. En la pared del cilindro hay una entrada de lubricación (Lubricant). El lubricante que se inyecta por esta entrada es expandido a lo largo del cilindro por los anillos del pistón durante la carrera, al mismo tiempo se inyecta lubricante en la empaquetadura de la varilla del pistón.

En algunos compresores recíprocos los lubricantes de la unidad de compresión y de la unidad de transmisión deben mantenerse separados, donde los anillos raspadores o limpiadores realizan esta función. Otros anillos raspadores (Scraper Rings) eliminan los lubricantes procedentes de la unidad de compresión de la varilla del pistón. Los anillos

limpiadores (Wiper Rings) en el extremo hacia el carter del cilindro de la pieza de distancia, eliminan los lubricantes de la unidad de transmisión de la varilla del pistón.…No todo el gas que se comprime es liberado al final de la carrera, parte del gas permanece en el cilindro, esto resulta de un espacio de liberación (Clearance Space), el cual está compuesto por los espacios en las cavidades de las válvulas mas el espacio que existe entre el pistón y el extremo del cilindro al final de una carrera.

En un compresor reciprocante se puede instalar un bolsillo en el cabezal, este bolsillo se considera de volumen fijo (Fixed Volume Clearance Pocket), si su válvula puede estar solamente abierta o carrada. El bolsillo puede ser también de volumen variable (Variable Volume Clearance Pocket), lo cual permite al operador usando una rueda de mano, ajustar el volumen del espacio de liberación disponible y de este modo controlar la capacidad del compresor, se puede lograr, tanto manual como automáticamente. La operación manual se lleva a cabo utilizando una rueda de mano.

Durante la operación normal del compresor, las válvulas de succión y de descarga se abren y cierran de acuerdo con la posición del pistón, sin embargo las válvulas pueden equiparse con descargadores (Unloader). Un descargador se usa para alterar la carga en un extremo del pistón, al descargarse o abrirse la válvula, se disminuye la capacidad del compresor, estos también se pueden operar manualmente usando ruedas de mano o automáticamente usando un dispositivo llamado piloto, el cual utiliza presión de succión o de descarga.

UNIDAD DE TRANSMISION

La unidad de transmisión del compresor suministra la energía para la compresión. El movimiento rotativo de la fuente de energía, se convierte en movimiento lineal reciprocante a través del mecanismo cigüeñal biela-cruceta.

La cruceta (Crosshead) conecta la biela (Conecting Rod) a la varilla del pistón (Piston Rod), pasando a través de la pieza de distancia, la varilla del pistón mueve al pistón, la cruceta permite a la varilla del pistón moverse solamente en forma lateral, pero permite que la biela lo haga en forma circular, una tuerca de seguridad (Lock Nut), conecta la varilla del pistón con la cruceta, la biela está fijada a la cruceta por el eje de acoplamiento de la cruceta (Crosshead Pin).

La cruceta se mueve horizontalmente y su movimiento vertical debe ser limitado, esto se logra gracias a las vías planas o perforadas circularmente de la cruceta. Dentro de las guías, las zapatas de la cruceta (Crosshead Shoes), mantienen la posición vertical de esta última. Aunque las zapatas son ajustables y reemplazables, las cuñas en ambas zapatas proporcionan un ajuste adicional.

Ambos extremos de la biela están equipados con cojinetes de manga reforzados (Sleeve Bearings), estos se ajustan utilizando la cuña y los tornillos de ajuste. Los cojinetes de manga pueden ser de metal de antifricción, Bronce o Aluminio.

Dentro de los cojinetes de manga el eje de la cruceta y el eje del carter se hayan separados de los cojinetes por una superficie fina de aceite. Es el aceite del carter, (Crank Case Oil), suministrado bajo presión por orificios en la superficie del cojinete.

La energía para operar la unidad de compresión puede ser suministrada por motores eléctricos o por motores de combustión, los más usados son los de combustión. En los motores de combustión, los pistones se conectan al cigüeñal mediante las bielas, además, la cruceta se conecta al cigüeñal por otra biela, la rotación causada por los pistones del motor es convertida por el cigüeñal, la biela y la cruceta en movimiento reciprocante, el cual da energía a la unidad de compresión.

Compresor de balance opuesto

A menudo un compresor tiene más de una unidad de compresión en la misma estructura, de este modo, cada pistón del compresor, es movido por el mismo cigüeñal. Un ejemplo de cigüeñal compartido es el compresor de balance opuesto (Balance-Opposed Compressor), donde el cigüeñal está colocado de tal manera que el movimiento de un pistón es equilibrado por el movimiento del pistón opuesto.

Los compresores de balance opuesto, son a menudo impulsados externamente, el cigüeñal del compresor está conectado a un motor de combustión o a uno eléctrico; otros pueden ser impulsados por motor de combustión o eléctrico a través de una transmisión o motor de correa en “V” o con una turbina a través de engranajes que reducen la velocidad.

Unidad integrada

Cuando la unidad de compresión y la fuente de energía están en la misma estructura, el término aplicado es unidad integrada (Integral Unit). En este arreglo la unidad de compresión y la fuente de energía comparten el mismo cigüeñal, los cilindros del compresor suelen ser horizontales, los cilindros del motor o son verticales o puestos en ángulo en “V” contra la horizontal.

Etapas múltiples

En ciertos casos el gas debe ser comprimido de baja a alta presión para cumplir con los requisitos de venta o las aplicaciones de campo, esta presión aumentada se logra a través de etapas de compresión. Pero debido a la cantidad de energía que esto requiere

no es aconsejable aumentar la presión del gas en un solo paso, por esto se usa lo que se conoce como etapas múltiples.

Cada etapa o cilindro aumenta la presión hasta alcanzar un rango determinado de presión, un compresor que efectúa esta compresión de etapas, se llama una unidad de etapas múltiples. Dependiendo de los requisitos de presión se pueden juntar dos o más unidades d etapas simples en una misma estructura para aumentar la eficiencia y reducir los costos.

A consecuencia del aumento de trabajo que realizan las unidades de etapas múltiples, se requiere un enfriamiento adicional, no solo los cilindros deben ser enfriados, el gas también debe enfriarse entre etapas mediante aparatos llamados “Interenfriadores”, para alentar esta transferencia de calor los radiadores o enfriadores aéreos forman parte importante del sistema d enfriamiento.