La termodinámica de los compresores de aire explica cómo la energía eléctrica se convierte en energía de presión, por qué la compresión crea calor y cómo se puede reutilizar ese calor. En este artículo abordaremos las leyes de los gases de Boyle y Charles, los efectos operativos, las temperaturas de descarga y el potencial de recuperación de energía.
La aplicación de los principios termodinámicos a los compresores de aire requiere tratar el sistema como un sistema abierto (volumen de control) con caudal másico, potencia en el eje y transferencia de calor constantes. El comportamiento global del sistema depende del equilibrio de estas entradas y salidas energéticas.
La primera ley establece que la energía se conserva. En funcionamiento constante, la potencia eléctrica suministrada al motor del compresor (kW) se traduce en un aumento de la entalpía del aire más el calor rechazado a través de los refrigeradores de aceite y aire. En términos simplificados, la potencia del eje aumenta la presión y la temperatura, mientras que una fracción significativa se elimina en forma de calor para mantener las temperaturas de descarga dentro de los límites de diseño.
Por ejemplo:
Una entrada típica del motor de 400 kW corresponde exactamente a 400 kJ/s de energía que entra en el compresor antes de que se produzcan pérdidas en el sistema. Esta energía debe permanecer en la corriente de aire comprimido en forma de calor o extraerse mediante circuitos de refrigeración por agua o aire.
Comprender este equilibrio energético es esencial para analizar la termodinámica y la transferencia de calor en todo el sistema.
La segunda ley de la termodinámica explica por qué la compresión real es irreversible debido a la generación de entropía. En los compresores y las redes de tuberías, la fricción, las caídas de presión, el estrangulamiento, las rutas de compresión no ideales y la transferencia de calor a través de diferencias de temperatura finitas aumentan la entropía. Estas irreversibilidades aumentan la potencia del eje o los kW eléctricos necesarios para suministrar una presión y un caudal objetivo, al tiempo que convierten inevitablemente parte de la energía de entrada en calor residual de bajo grado que se explusa al aire ambiente o al agua de refrigeración.
La siguiente tabla de mapeo de conceptos ilustra la relación entre los principios termodinámicos y las realidades físicas de una instalación de aire comprimido.
| Concepto termodinámico | Definición física | Implicación práctica del compresor |
Primera ley |
La energía total se conserva dentro de un sistema cerrado o abierto en estado estacionario. |
La energía de trabajo del eje se transforma en entalpía de gas y energía térmica rechazada. |
Segunda Ley |
El calor se transfiere de forma natural de regiones de temperatura más alta a más baja. |
El aire debe enfriarse mediante sumideros externos (circuitos de aire o agua). |
Entropía |
Una medida del desorden molecular y de la degradación de energía irreversible. |
Las irreversibilidad aumentan el consumo específico de energía ($kW$) para el mismo caudal. |
Reversibilidad |
Un proceso idealizado sin pérdidas, que representa la máxima eficiencia termodinámica. |
Sirve como referencia para comparar etapas de compresión reales. |
Las leyes de Boyle y Charles describen las relaciones entre la presión, el volumen y la temperatura de los gases en condiciones idealizadas. Estas ecuaciones que describen el comportamiento de los gases ayudan a los ingenieros a estimar los cambios que se producen durante la compresión, a predecir las cargas térmicasy a dimensionar los equipos situados aguas abajo.
La ley de Boyle establece que si la temperatura es constante (isoterma), el producto de la presión y el volumen es constante.
p·V = constante
p₁·V₁ = p₂·V₂
La presión (p, bar) varía inversamente con el volumen (V, m³) cuando la temperatura es constante.
La ley de Charles indica que a presión constante (isobara), el volumen de un gas cambia en proporción directa al cambio de temperatura.
V/T = constante
V₁/T₁ = V₂/T₂
El volumen es proporcional a la temperatura absoluta (T, medida en K) a presión constante.
Conversión: T [K] = T [°C] + 273,15.
La ley general del estado de los gases es una combinación de las leyes de Boyle y Charles. Esto indica cómo la presión, el volumen y la temperatura se relacionan entre sí. Cuando se cambia una de estas variables, afecta al menos a una de las otras dos variables.
(p·V)/T = constante
(p₁·V₁)/T₁ = (p₂·V₂)/T₂
La constante del gas individual R solo depende de las propiedades del gas. Si una masa m del gas ocupa el volumen V, la relación se puede escribir:
p·V = m·R·T
donde m es la masa y R es la constante de gas específica (dependiente del gas).
Los compresores reales se desvían de las trayectorias isotérmicas ideales porque el proceso de compresión se produce demasiado rápido para que el calor se escape, lo que da lugar a un proceso politrópico. Este rápido aumento de la presión provoca un aumento significativo de la temperatura en la etapa de descarga, lo que requiere del uso de refrigeradores posteriores para que extraigan el calor antes de que el aire entre en la red de tuberías. Sin refrigeración, la mayor carga térmica puede dañar los componentes neumáticos y degradar las líneas de proceso posteriores.
La recuperación del calor de la compresión ofrece una oportunidad significativa para compensar los combustibles de calefacción primarios en la fabricación industrial. Capturar esta energía térmica antes de que se libere a la atmósfera reduce directamente los costes de los servicios públicos de la instalación.
Una estructura de cálculo transparente ayuda a los ingenieros a validar las afirmaciones:
Por ejemplo:
Un compresor de 400 kW con un 90 % de calor recuperable, que funciona 6000 h/año, produce aproximadamente 2,16 GWhₜₕ/año de calor útil. El ahorro económico depende principalmente de las horas anuales y del precio de la fuente de energía desplazada; todos los supuestos son específicos del emplazamiento y deben verificarse.
Las temperaturas del agua caliente de proceso entre 70 °C y 90 °C se pueden alcanzar de forma fiable mediante la transferencia de calor desde el circuito de refrigeración. Esta energía térmica recuperada se utiliza comúnmente para la prealimentación de calderas de vapor, el calentamiento directo de procesos en la producción de alimentos o la calefacción de espacios de instalaciones. La temperatura máxima práctica viene determinada por el límite de descarga del compresor y el diseño de los intercambiadores de calor de refrigeración internos.
Debe instalarse una unidad de control de recuperación de energía entre el circuito de refrigeración del compresor y el circuito de agua externo. Este equipo especializado regula dinámicamente los caudales de agua y las temperaturas aproximadas para mantener un funcionamiento estable del compresor. Un diseño adecuado del sistema evita el sobreenfriamiento, que podría causar un desgaste prematuro de los componentes. La implementación de sistemas integrados de recuperación de energía garantiza que la generación de agua caliente se produzca de forma fiable sin mermar la producción de aire comprimido.
Compare las opciones de compresores utilizando el caudal suministrado en m³/h o l/s, la presión de trabajo en bar, el perfil de carga y la energía específica en kWh/m³. Si la recuperación de calor es un objetivo del proyecto, evalúe la capacidad de recuperación, incluida la fracción de recuperación disponible, la temperatura del agua caliente, los controles y los requisitos de integración.
Durante la compresión, la reducción del volumen del aire aumenta su presión y temperatura porque la energía se transfiere al gas como trabajo mecánico. Según la ley de gases combinados, forzar un gas en un volumen menor aumenta su presión, lo que aumenta simultáneamente su energía cinética y su temperatura absoluta a menos que se produzca una refrigeración continua.
El calor de compresión es la energía térmica generada como subproducto directo de la compresión de moléculas de gas en un volumen más pequeño. En un sistema estándar, casi toda esta energía se expulsa en forma de calor residual a través de refrigeradores posteriores, enfriadores de aceite o directamente al aire ambiente, pero se puede recuperar y utilizar.
Hasta el 94 % de la energía eléctrica de entrada se puede recuperar con éxito en sistemas refrigerados por agua. Esta tasa de recuperación asume que el compresor funciona continuamente en condiciones de carga, que el sistema térmico satisface una demanda de proceso continua y que las tuberías están diseñadas para minimizar las pérdidas de calor por convección a la atmósfera.
Los circuitos de agua recuperada pueden alcanzar temperaturas entre 70 °C y 90 °C. El límite práctico viene determinado por la temperatura máxima de descarga del compresor, la temperatura de aproximación del intercambiador de calor y el caudal necesario para mantener una transferencia térmica estable sin causar sobrecalentamiento del sistema.
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