INTRODUCCIÓN

Desde que se construyó el primer prototipo de compresores rotativo de tornillo hasta nuestros días, su diseño ha sufrido una evolución considerable. Uno de los rasgos definitivos de los primeros compresores era que todos funcionaban con cámaras de compresión libres de aceite. A finales de los años 50´s apareció el compresor con inyección de aceite en las cámaras de compresión . Sin embargo estos compresores tenían algunos factores específicos que contribuían a limitar su campo de operación, tales como la rotura de rotores si ocurrían dificultades en su marcha, percances sensibles en los rodamientos, incidencia del diseño del perfil de los rotores en las características de eficiencia, nivel de ruido de bastante alta y elevada frecuencia por cuyas razones la utilización de un compresor rotativo de tornillo quedaba relegada a instalaciones que necesitaban gran capacidad de aire comprimido. La búsqueda de nuevos perfeccionamientos para el compresor rotativo de tornillo dio origen a una cuidadosa investigación en su diseño, con la intención de eliminar aquellas desventajas.

Las principales características de las mejoras obtenidas son:

· Adopción de un nuevo perfil del rotor para mejorar la seguridad mecánica y la eficiencia, particularmente en las unidades de menor capacidad.
· Mejor estanqueidad entre el perfil del rotor y la carcaza.
· Empleo de un sistema especial de refrigeración para los elementos del compresor.

La lubricación de estos compresores, particularmente en los de cámara de compresión húmeda, ha jugado un papel muy importante en su comportamiento y durabilidad. El aceite además de una buena lubricidad, debe tener la capacidad suficiente de separarse del gas, para evitar como en el caso de los gases de hidrocarburo, que éste disminuya su viscosidad hasta valores que pueden dar lugar al contacto metal-metal entre los diferentes elementos del compresor. La capacidad de los compresores rotativos de tornillo puede ser hasta de 44.000 m3/hr (26.000 cfm) para presiones de descarga de 860 kPa (125 Psi) en una etapa y de 2070 kPa (300 Psi) en dos etapas.

El compresor rotativo de tornillo está constituido básicamente por una carcaza, dos rotores, cuatro cojinetes de apoyo y dos de empuje, un sistema de sello, un sistema de lubricación y un par de engranajes (en los de cámara de compresión seca). El juego de rotores está constituido por rotores; uno conocido como el rotor macho de 4 ó más lóbulos, y el otro como el rotor hembra de 6 entradas. En operación, los dos rotores giran en sentido contrario a diferentes velocidades, dependiendo de las características de los dos rotores; así, por ejemplo, si el rotor macho tiene cuatro lóbulos y el hembra seis entradas ó acanaladuras, el primero debe girar a 1,5 veces el segundo. El material de los rotores es acero carbón ó aleaciones de acero al Cr Ni. El sistema de accionamiento de los rotores puede ser en forma individual accionados por engranajes, ó por engrane directo del rotor macho en el rotor hembra.

Según giran los rotores, los espacios vacíos que hay entre los lóbulos y las acanaladuras se van colocando en el orificio de admisión de gas y el incremento de volumen experimentado provoca un descenso de presión con lo que dichos espacios comienzan a llenarse con gas. Cuando los espacios inter-lobulares están completamente cargados de gas, la rotación que prosigue cierra el orificio de admisión y comienza la compresión. . El volumen de gas que hay entre los rotores sufre aún una mayor reducción aumentando la presión.

Cuando se alcanza la presión final a la cual se va a comprimir el gas, el espacio inter-lobular queda conectado con el orificio de salida permitiendo que el gas comprimido fluya por la tubería de presión. La compresión del gas en el espacio lóbulo-acanaladura asegura un suministro uniforme del gas libre de pulsaciones.

Los compresores rotativos de tornillo se utilizan hasta capacidades de 25.000 cfm (42.500 m3/h) y presiones de descarga de 860 kpa (125 psi) en una etapa y de 2.070 kpa (300 psi) en dos etapas. Sus velocidades pueden oscilar entre 1.500 y 12.000 rpm. En estos compresores se encuentran bien definidos dos circuitos básicos de flujo: el del gas comprimido y el del aceite. Otro opcional es el circuito del aceite de sello, el cual se utiliza cuando es necesario mantener en un nivel mínimo las fugas de gas a través de los sellos de laberinto ó de carbón del compresor. Los compresores rotativos de tornillo se pueden clasificar en dos tipos: los de cámara de compresión seca y los de cámara de compresión húmeda.

.Por lo regular son compresores de gran tamaño y se utilizan en procesos industriales que requieren un gas totalmente exento de aceite. En este caso los tornillos no engranan, sino que la transmisión de uno con respecto al otro se realiza mediante un par de engranajes helicoidales, montados exteriormente a la cámara de compresión. El engranaje de menor diámetro va acoplado al rotor macho. Como no hay aceite de sello entre las hélices de los rotores y la carcaza, la velocidad en estos compresores pueden ser relativamente alta (8.000 ó más rpm) para minimizar las fugas de gas.

En este tipo de compresores, el sistema de lubricación está constituido por un depósito de aceite que puede ser independiente de la carcaza del compresor ó hacer parte de ella; por una bomba principal accionada directamente por el rotor hembra y otra auxiliar; y por otros elementos como un enfriador de aceite, filtros de aceite y una red de tuberías que conducen el aceite desde y hacia el compresor, lubricando los engranajes y los cojinetes. Como el aceite en estos compresores evacua una mínima cantidad de calor, las carcazas suelen estar refrigeradas por agua. Algunos modelos poseen una refrigeración adicional, mediante un flujo de aceite que circula por unos conductos internos localizados en los ejes de los rotores. Este aceite sale posteriormente por uno de los extremos de los rotores (lado de baja presión del compresor) a través de unos orificios radiales, regresando nuevamente al depósito de aceite en donde se reacondiciona (se enfría y se filtra) para reiniciar su ciclo.

En este tipo de compresores la transmisión se realiza por engrane directo entre los lóbulos del rotor macho y las entradas del rotor hembra. Como hay engrane directo, es necesario atomizar una cantidad específica de aceite en la cámara de compresión, la cual varía entre 20 y 100 galones por minuto de aceite, dependiendo del tamaño y del fabricante del compresor. El aceite en forma de niebla se mezcla con el gas y lubrica los lóbulos y las entradas de los rotores, obturando (sellando) el espacio entre ellos y la carcaza. Esto permite una mayor eficiencia con respecto a los de cámara de compresión seca. En este tipo de compresores el aceite desempeña las siguientes funciones:
· Lubrica los lóbulos y las entradas de los rotores.
· Evacua parte del calor generado durante la compresión.
· Forma un sello en la cámara de compresión.

La circulación del aceite se realiza mediante la presión que ejerce el gas comprimido sobre el aceite que se encuentra alojado en el depósito de gas-separador de aceite ó por medio de una bomba que es accionada directamente por el compresor. El aceite circula por un enfriador y un filtro hasta llegar a la cámara de compresión y los cojinetes lisos ó rodamientos de apoyo de los dos rotores. Una válvula para control de temperatura (termostato) montada antes del enfriador trabaja totalmente abierta cuando la temperatura del aceite está por debajo de 50°C (122°F) permitiendo que fluya directamente a las partes del compresor y alcance rápidamente la temperatura de operación que es aproximadamente de 80°C (176 °F), reduciendo al máximo las posibilidades de que el vapor de agua presente en el gas se condense y emulsione el aceite. Una vez que se logra esta temperatura el termostato va cerrando gradualmente la válvula y el aceite empieza a circular por el enfriador. En estos compresores el enfriamiento del aceite puede ser por agua ó por aire. Después que el aceite lubrica los cojinetes y los rotores fluye junto con el gas comprimido hasta el depósito de gas-separador de aceite. A la salida del depósito de gas-separador de aceite va montada una válvula de cierre de aceite, que impide que se inunde de aceite la cámara de compresión al parar la unidad. Esta válvula la abre la presión del gas que es comprimido al arrancar el compresor.

El depósito de gas-separador de aceite cuenta con una válvula de control de presión mínima que permite mantener la presión interna entre 45 y 60 psig, garantizando de esta manera la presión necesaria para que el gas suministre el flujo requerido de aceite al compresor y para que se logre una buena separación del aceite y del gas. El filtro de aceite tiene una válvula de derivación que se abre cuando la caída de presión en él es superior a lo normal debido a la obstrucción del elemento filtrante. El aceite en este caso lubricaría sin filtrarse, siendo necesario por lo tanto, para evitar estos problemas, que el filtro se cambie a intervalos regulares. El filtro remueve partículas de un tamaño nominal de 20 mm en adelante. Un elemento no menos importante en este tipo de compresores es el separador de aceite, de su eficiencia depende que el gas esté libre de aceite, ó que éste no altere sus propiedades físico-químicas cuando se comprimen gases como los freones, Isobutano y Propano.

La separación primaria de aceite tiene lugar en el momento en que el gas comprimido llega al depósito de gas-separador de aceite. En éste elemento el gas se expansiona y su velocidad disminuye, haciendo que la mayor parte del aceite que está en suspensión en el gas se deposite en la parte inferior del depósito. La separación secundaria del aceite se presenta cuando el gas expandido pasa a través del elemento separador localizado a la salida y en la parte superior del depósito de gas-separador de aceite. El aceite que queda retenido en este elemento es impulsado a través de una tubería, normalmente de 1/8" hasta la succión del compresor.

Dependiendo del tipo de gas que se esté comprimiendo, el depósito de gas-separador de aceite requerirá ó no de calentadores de aceite. En el caso de compresores que comprimen aire estos no se utilizan. Cuando se trata de compresores de refrigeración que trabajan con cualquiera de los diferentes tipos de freones (11, 12, 21, 22, etc.) si es necesario emplear calentadores de aceite, ya que la solubilidad de estos refrigerantes disminuye con la temperatura, lográndose así una completa separación de estos con el aceite. En este tipo de equipos, antes de ponerlos en operación, el aceite debe estar como mínimo a 60°C (140°F). En el caso de compresores rotativos de tornillo de cámara de compresión húmeda, que comprimen propano ó Isobutano, el problema es aún más complejo, por cuanto estos gases de hidrocarburo tienen una gran cantidad de gases condensables (C4 y por encima) lo cual hace necesario, para poderlos remover del aceite, que el depósito de gas-separador de aceite cuente adicionalmente con una cámara de calentamiento (por vapor ó resistencias eléctricas) que garantice que el aceite se encuentra a una temperatura mínima de 71°C (160°F). Por otro lado, hasta donde sea posible, el aceite debe ser del tipo sintético a base de Poliglicol, ya que estos lubricantes presentan menos solubilidad a latas temperaturas con los hidrocarburos que los aceites minerales, tienen puntos de fluidez más altos, elevados índices de viscosidad y excelentes características de lubricidad.

Al analizar la lubricación para un compresor rotativo de tornillo es necesario hacerlo teniendo en cuenta si es de cámara de compresión seca ó húmeda, ya que en éste último, el gas está en contacto con el aceite y las propiedades de éste se pueden ver afectadas por el gas. En los compresores rotativos de tornillo de cámara de compresión seca el aceite a utilizar no exige unas propiedades físico-químicas muy especiales y es factible por lo tanto, emplear un aceite para reductores de velocidad que cumpla con la viscosidad requerida. En los compresores rotativos de tornillo de cámara de compresión húmeda, que comprimen aire, se pueden emplear aceites minerales de tipo industrial y automotor, ó aceites sintéticos.

Cuando estos compresores trabajen con poca carga, en ambientes de baja temperatura, en operaciones intermitentes ó bajo condiciones de alta humedad, que pueden dar lugar a condensación del vapor de agua presente en el aire atmosférico, no se recomienda el empleo de aceites automotores, ya que sus características de detergencia-dispersancia forman emulsiones estables con el agua que dan lugar a herrumbre, corrosión y desgaste de las partes lubricadas del compresor. En este caso se pueden emplear los aceites de tipo turbina, por sus buenas características anti-emulsionantes, las cuales permiten drenar el agua en el depósito de gas-separador de aceite. Otros lubricantes utilizados con mucha frecuencia y con excelentes resultados son los fluidos ATF (Automatic Transmisión Fluid) Dexron II empleados para lubricar transmisiones automáticas. Se caracterizan por su color rojo y no contienen aditivos detergentes-dispersantes.

Para seleccionar el aceite requerido para los compresores de tornillo es necesario seguir las recomendaciones del fabricante del compresor. Algunos dan nombres y marcas de aceites, como por ejemplo el Energol LPT 100 de la BP, el Norpol 50 de la ESSO, el Icematic 300 de Castrol y así sucesivamente, pero esto no debe ser lo lógico, por cuanto en la mayoría de los casos, los lubricantes recomendados no son comerciales en el país donde va a operar el compresor (excepto en el país de origen); por lo tanto, en lugar ó adicionalmente a esto, lo que se debe buscar en el catálogo del fabricante del compresor son las propiedades físico-químicas del aceite.

En los compresores rotativos de tornillo de cámara de compresión seca normalmente se utilizan aceites de un Grado 32 ó 46 y en los de cámara de compresión húmeda un Grado ISO 46 o 68 dependiendo de la temperatura ambiente. Las demás propiedades físico-químicas del aceite dependen del tipo de compresor, así: para los de cámara de compresión seca las más importantes son la viscosidad y el índice de viscosidad y para los de cámara de compresión húmeda la viscosidad, el índice de viscosidad, el contenido de carbón Conradson y el punto de inflamación.

Los aceites para compresores de cámara de compresión húmeda se pueden utilizar sin problema alguno en los de cámara de compresión seca si la viscosidad es la misma, ya que sus condiciones operativas son más críticas. Lo contrario es necesario analizarlo cuidadosamente. En la tabla No 1 se dan las especificaciones de los lubricantes que se pueden utilizar en compresores rotativos de tornillo.

Tabla no 1
Especificaciones de los lubricantes para compresores rotativos de tornillo

No se deben mezclar aceites de diferentes tipos (minerales, sintéticos, etc.), marcas ó especificaciones ya que en su gran mayoría son incompatibles, dando lugar a problemas en el compresor. Si se va a cambiar de una marca de aceite a otra se recomienda hacerlo cuando se drene la totalidad del aceite usado y se limpie el sistema ó cuando se hagan previamente las pruebas de compatibilidad (Antiespumante ASTM D892 y Antiemulsionante ASTM D1401.

En los compresores rotativos de tornillo de cámara de compresión húmeda el aceite trabaja a altas temperaturas (alrededor de 80°C) para evitar los problemas de condensación del vapor de agua presente en el gas que es comprimido, esto conlleva a que su rata de oxidación sea acelerada y haya necesidad de cambiarlo con relativa frecuencia. Los períodos de cambio del aceite se especifican en la tabla No 2 de acuerdo con el tipo de compresor.

Tabla no 2
Frecuencias de cambio de aceite en compresores rotativos de tornillo

Otros aspectos importantes a tener en cuenta son:

· Si las condiciones de operación son severas ó el ambiente es muy contaminado, el intervalo de cambio del aceite se debe reducir. La forma más segura de determinarlo es mediante análisis de laboratorio periódicos.
· Las frecuencias de cambio de aceite no se pueden ampliar arbitrariamente, ya que un aceite oxidado (derivado del petróleo) produce gomas y residuos carbonosos, que además de obstruir los filtros, crean problemas de sobrecalentamiento en la cámara de compresión, pérdida de eficiencia y desgaste abrasivo de los elementos del compresor.
· El filtro de aceite en un compresor nuevo ó después de un mantenimiento completo se debe cambiar entre las primeras 50 y 150 horas de operación; después cada 500 horas ó cada 6 meses, lo que ocurra primero.
· Los filtros de aire se deben mantener en buenas condiciones de limpieza; los hay secos y húmedos con baño de aceite. La frecuencia normal de limpieza de estos filtros es cada 50 horas ó puede ser más amplia con otros de diseño especial. En casos críticos de alta contaminación es factible que se requiera limpiarlos en cada turno de trabajo.

En nuestra planta de tratamiento de agua tenemos dos compresores de tornillo de cámara de compresión húmeda que comprimen aire a 150 psig; uno de estos equipos trabaja compresor principal y el otro como auxiliar. Inicialmente estos compresores se lubricaban con un aceite del tipo ATF Dexron II con frecuencias entre cambios de aceite de cada tres meses ó 2.000 horas de operación, lo que ocurriera primero. Como resultado de la publicación de la teoría de Vida Esperada publicada por INGELUB en su artículo semanal del 28 de mayo de 2002 decidimos cambiar el aceite ATF Dexron II por uno sintético del tipo PAG para garantizar el factor del espesor de la película lubricante (fho) lo más cercano a uno debido al alto índice de viscosidad del aceite sintético.

Los compresores funcionaron sin problema alguno durante cuatro meses (en promedio cada uno durante dos meses consecutivos) al cabo de los cuales el nivel de aceite en el depósito de aceite ó separador de gas-aceite se bajaba rápidamente y el aceite se acumulaba en una trampa de aceite que hay en la tubería de descarga de aire comprimido. Con el fin de averiguar cual era la causa del alto consumo de aceite, se paró el compresor que estaba trabajando y que en ese momento presentaba este problema, se le quito la tapa superior al depósito de aceite ó separador de gas-aceite y se inspeccionó el filtro coalescente separador de aceite. En la parte inferior de dicho elemento se encontró una cantidad anormal de aceite y el tubo de ¼" en cobre que devuelve este aceite a la cámara de compresión del compresor se encontró completamente obstruido, lo cual hacia que cuando la corriente de aire a presión proveniente del compresor presurizara el aceite, éste no podía fluir libremente hacia el compresor sino que se iba con el aire hacia la tubería de descarga y cuando llegaba a la trampa de aceite quedaba retenido allí.

La causa del problema era que la tapa superior del separador de gas-aceite en su parte interior estaba pintada con una pintura epóxica compatible con el aceite mineral pero no con el nuevo sintético del tipo PAG que se estaba utilizando; estos aceites sintéticos se caracterizan por ser altamente detergentes y por su incompatibilidad con las pinturas epóxicas. Esta circunstancia dio lugar al desprendimiento de la pintura y por lo tanto a que la superficie metálica de la tapa superior quedara expuesta a la acción de la humedad del medio ambiente cuando el compresor no estaba trabajando ó sea cuando estaba en estand-by. Por la acción de la humedad se producían partículas de herrumbre que caían sobre el aceite acumulado en la parte inferior del filtro coalescente, haciendo que cuando el compresor se ponía en operación la corriente de aire comprimido arrastrara dichas partículas de herrumbre y las introdujera dentro de la tubería de 1/4" taponándola y dando lugar por consiguiente a que el aceite se fuera con la corriente de aire comprimido. El problema de alto consumo de aceite se resolvió pintando la tapa superior del separador de gas-aceite en su superficie interior con una pintura del tipo porcelana que es compatible con el aceite sintético del tipo PAG. La tubería de ¼"de cobre se cambió por acero inoxidable para eliminar la acción del cobre como material catalizador del proceso de oxidación del aceite que queda acumulado en la parte inferior del filtro coalescente cuando el compresor está fuera de servicio.

PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS, BUENOS AIRES-ARGENTINA