Comprensión de las mediciones del compresor de aire: trabajo, potencia y caudal

El trabajo mecánico asociado a los cambios en el volumen de una mezcla de gases es uno de los procesos más importantes en la termodinámica de ingeniería. 

Los caudales de los compresores se suelen medir con un caudalímetro másico. Intuitivamente, es más fácil dar sentido a un caudal para un gas en términos de volumen que de masa. Una desventaja percibida a este respecto podría ser que entonces sea necesario especificar las condiciones de entrada del gas, ya que el volumen cambiará con las condiciones de entrada cambiantes. Sin embargo, para un compresor, el caudal másico de salida también dependerá de las condiciones de entrada, lo que significa que siempre es necesario especificar las condiciones de entrada en las que se alcanzó un caudal.

El caudal volumétrico de un sistema es una medida del volumen del fluido que circula por unidad de tiempo. Puede calcularse como el producto del área transversal del flujo y la velocidad media del flujo. La unidad del sistema internacional (SI) para el caudal volumétrico es m3/s.

Sin embargo, al comprar un compresor, normalmente encontrará la capacidad del compresor, expresada en litros/segundo (l/s). Este es el FAD o aire libre suministrado.

¿Qué es el aire libre suministrado? El aire libre es el aire en las condiciones de entrada del compresor, es decir, a temperatura y presión ambiente. El suministro implica que solo se tiene en cuenta el aire que sale de la salida del compresor. Esto difiere del aire que entra por la entrada, ya que parte del aire puede escaparse del compresor entre la entrada y la salida. El caudal de un compresor se mide normalmente con un caudalímetro másico en la salida. Esto significa que solo se mide el aire suministrado. A continuación, se convierte en «aire libre» utilizando las condiciones de entrada.

El FAD está diseñado para ser utilizado para comparar diferentes compresores o para hacer coincidir la capacidad de un compresor con el consumo de herramientas. A menos que se indique lo contrario, el FAD de un compresor o herramienta (que puede encontrar en sus hojas de especificaciones) se ha medido manteniendo las condiciones de entrada de referencia (es decir, 20 °C, 1 bar y 0 % de humedad relativa). La masa de aire que cabe en el volumen desplazado de un elemento compresor variará con la densidad del aire y, por lo tanto, cambiará la cantidad de flujo obtenida eficazmente en el lado de salida de un compresor. La densidad depende de la temperatura y la presión del aire. Por este motivo, el caudal másico de salida medido se divide entre la densidad del aire de entrada. De este modo, se cancela el efecto de la densidad.

Sin embargo, existen efectos secundarios de la temperatura y la presión. Entre otras cosas, el tamaño de los espacios entre las piezas cambiará en función de la temperatura, lo que causará más o menos fugas. Un cambio de presión en la entrada también provocará una sobrecompresión o subcompresión, lo que cambiará el caudal de salida resultante. Por este motivo, es importante comparar los compresores en las mismas condiciones, generalmente (pero no necesariamente) siendo las condiciones de referencia definidas en la norma ISO1217:2009. En otros sectores o regiones se pueden utilizar diferentes condiciones de referencia.

Otro caudal que se utiliza con frecuencia es el caudal normal (Nl/s), donde la referencia es de 0 °C, 1 atm y 0 % de HR.

La relación entre los dos caudales es q _FAD = q_N × T _FAD / T_N × P_{N /} P _FAD

(tenga en cuenta que la fórmula simplificada anterior no tiene en cuenta la humedad).

• qFAD refleja las condiciones reales de funcionamiento, teniendo en cuenta la presión y la temperatura a las que sale el aire del compresor.
• qN proporciona una referencia estandarizada, lo que facilita la comparación del rendimiento del compresor en diferentes sistemas.

Los ingenieros y compradores industriales confían en qN para la evaluación comparativa, mientras que qFAD es crucial para el diseño y el funcionamiento reales del sistema.

Aunque parece ser un caudal volumétrico, el FAD se puede considerar como un caudal másico expresado en términos de volumen. Esto se debe a que, en condiciones fijas, la densidad del flujo de aire es constante y, por lo tanto, el flujo másico es constante y conocido.

El siguiente ejemplo ilustra el suministro de aire libre (FAD):

• ¿Qué significa un FAD de 39 l/s para un compresor que funciona a 10 bar(e)?
• ¿Cuánto tarda en llenarse un depósito de 39 l a una presión de 10 bar(e)?

Podemos ver el FAD como un caudal másico. La masa total de 39 l de aire a 10 bar(e) o 11 bar(a) es simplemente 11 veces la masa de 39 l de aire en condiciones ambientales. Podemos llamar a esta última una unidad de masa. Suponiendo que el depósito ya esté lleno de aire ambiente al inicio, ya hay una «unidad de masa» dentro de él y solo necesitamos 10 más. Dado que sabemos que el compresor suministra una unidad de masa por segundo, necesitamos 10 segundos para suministrar esta masa al depósito.

La diferencia entre bar(a) y bar(e) se explica aquí.

El SER es una medida de eficiencia, expresada como la cantidad de energía necesaria para suministrar 1 litro de FAD a una determinada presión. Esto da un valor en julios/litro (J/l). Por ejemplo, una máquina que consume 35 kW para suministrar 100 l/s tiene un SER de 350 J/l.

Especificar su sistema de aire comprimido por caudal y presión, no por kW o caballos de potencia, es la mejor manera de adaptar su rendimiento a sus necesidades. El tamaño del compresor debe adaptarse a los requisitos de su negocio con más precisión que simplemente ir por la potencia nominal en kW.

En este artículo se tratan muchos términos técnicos relacionados con el trabajo mecánico, la potencia y el caudal. Comprender esta información es importante para invertir en el equipo adecuado para su aplicación. Si compras un equipo demasiado grande o demasiado pequeño, existe el riesgo de ineficiencia.

Lo que es importante tener en cuenta es la fuerza que necesitará para mover un objeto para completar un trabajo determinado en un periodo de tiempo concreto. Como se ha mencionado anteriormente, esto se expresa en flujo y presión. Además de los litros por segundo (l/s), el flujo se representa en pies cúbicos por minuto (cfm) o metros cúbicos por hora (m3/h). Todas estas mediciones corresponden a la velocidad.

La presión se muestra en bar, como se mencionó anteriormente, o libras por pulgada cuadrada (psi). Si necesita mover objetos pesados, necesitará más presión. También deberá determinar si necesita suministro de aire durante todo el día y si hay diferentes requisitos para sus aplicaciones. Este contexto es útil a la hora de determinar el tamaño y elegir entre máquinas de velocidad fija y de accionamiento de velocidad variable (VSD). Consulte nuestra guía para elegir un compresor de aire.