Aerodinámica
La aerodinámica es fundamental para entender el comportamiento de los compresores centrífugos. Los fenómenos de surge y choke definen los límites operativos de estas máquinas.
Curva Característica
Cada compresor centrífugo tiene una curva característica que relaciona presión y flujo:
Presión (bar)
│
9 ┤ ╭────╮
│ ╱ ╲
8 ┤ ╱ ╲
│ ╱ ╲
7 ┤ ●────────────●────────●
│ Surge Diseño Choke
6 ┤ │ │ │
│ │ │ │
5 ┤ │ │ │
│ │ │ │
└────┴──────────────┴─────────┴──── Flujo (CFM)
500 1500 2500
Surge (Bombeo)
El surge es el fenómeno más crítico en compresores centrífugos. Es una condición inestable que puede destruir el compresor.
¿Qué es el Surge?
Cuando el flujo de aire cae por debajo de un mínimo crítico mientras la presión de descarga es alta, el aire fluye en reversa momentáneamente:
Operación Normal: Surge:
Entrada → Impulsor → Salida Entrada ← Impulsor ← Salida
(flujo reverso)
Consecuencias del Surge
| Efecto | Severidad | Consecuencia |
|---|---|---|
| Vibraciones violentas | Crítica | Daño estructural |
| Ruido explosivo (bang-bang) | Alta | Daño auditivo |
| Daño a rodamientos | Crítica | Falla mecánica |
| Fatiga del impulsor | Alta | Grietas, rotura |
| Aumento de temperatura | Media | Degradación sellos |
| Destrucción total | Extrema | Pérdida del equipo |
La Línea de Surge
Presión
│
│ ╔═══════════════╗
│ ╔╝ ZONA DE SURGE ║
│ ╔╝ (peligro) ║
│ ╔╝ ║
│╔╝ Línea de ──────╫────── Punto de diseño
│║ Surge ║ ●
│║ ║
│║ ZONA SEGURA ║
│║ (operación) ║
│╚═══════════════════╝
└────────────────────────── Flujo
Bajo Alto
- Línea de surge: El límite mínimo de flujo para cada presión
- Zona segura: A la derecha de la línea de surge
- Zona de surge: A la izquierda - operación prohibida
Causas del Surge
| Causa | Mecanismo | Prevención |
|---|---|---|
| Demanda baja | Poco consumo de aire | Control anti-surge |
| Válvulas cerradas | Restricción en descarga | Interlock |
| Filtros tapados | Restricción en succión | Mantenimiento |
| Cambios bruscos | Transitorios rápidos | Rampa de carga |
| Falla de control | Sensor/actuador | Redundancia |
Choke (Stonewall)
El choke o stonewall es el límite opuesto al surge: ocurre cuando el flujo es demasiado alto.
¿Qué es el Choke?
Cuando la velocidad del aire alcanza la velocidad del sonido en algún punto del compresor (típicamente en la garganta del difusor), el flujo se "bloquea":
Velocidad del aire en el difusor:
Normal: Choke:
▓▓ ▓▓▓▓▓▓▓▓
▓▓ ▓▓▓▓▓▓▓▓ ← Mach 1.0
▓▓ ▓▓▓▓▓▓▓▓
▓▓ ▓▓▓▓▓▓▓▓
──── ────────
Subsónico Sónico (bloqueado)
Características del Choke
| Aspecto | Descripción |
|---|---|
| Flujo máximo | No puede aumentar más |
| Presión | Cae drásticamente |
| Eficiencia | Muy baja |
| Daño | Menor que surge, pero ineficiente |
| Ruido | Alto, silbido |
Comparación Surge vs Choke
| Característica | Surge | Choke |
|---|---|---|
| Flujo | Muy bajo | Muy alto |
| Presión | Alta | Baja (cae) |
| Peligro | Extremo | Moderado |
| Daño potencial | Destrucción | Ineficiencia |
| Corrección | Inmediata requerida | Reducir demanda |
| Indicador | Ruido, vibración | Caída de presión |
Mapa de Operación
El mapa completo de operación muestra todas las zonas:
Presión
│
│ SURGE CHOKE
│ ║ ║
10 ┤ ║ 100% vel ──────────── ║
│ ║ ╱ ╲ ║
9 ┤ ║ ╱ 90% vel ────────── ╲ ║
│ ║ ╱ ╱ ╲ ╲ ║
8 ┤ ║╱ ╱ 80% vel ──────── ╲ ╲ ║
│ ╳ ╱ ╱ ╲ ╲ ╲ ║
7 ┤ ╱║ ╱ ╱ ╲ ╲ ╲║
│ ╱ ║╱ ╱ ZONA ╲ ╲ ╳
6 ┤ ╱ ╳ ╱ SEGURA ╲ ╲╱║
│╱ ╱║ ╱ ╲ ╱ ║
5 ┤ ╱ ║╱ ╳ ║
│ ╱ ╳ ╱║ ║
└────╫──────────────────────────╫───── Flujo
500 2500
Margen de Surge
Los sistemas de control mantienen un margen de seguridad respecto a la línea de surge:
Presión
│
│ Línea de Línea de
│ Surge Control
│ │ │
│ │←── 10% ───→│
│ │ margen │
│ │ │ ● Operación
│ │ │
└───────────────────────────── Flujo
| Margen | Aplicación |
|---|---|
| 10% | Sistemas bien controlados |
| 15% | Aplicaciones típicas |
| 20% | Cargas muy variables |
| 25%+ | Procesos críticos |
Factores que Afectan la Curva
Condiciones de Entrada
| Factor | Efecto en Surge | Efecto en Capacidad |
|---|---|---|
| Temperatura alta | Surge a menor flujo | Menor capacidad |
| Altitud | Surge a menor flujo | Menor capacidad |
| Humedad alta | Efecto menor | Efecto menor |
| Filtro sucio | Surge a menor flujo | Menor capacidad |
Corrección por Altitud
| Altitud (m) | Factor de Corrección |
|---|---|
| 0 (nivel mar) | 1.00 |
| 500 | 0.94 |
| 1000 | 0.89 |
| 1500 | 0.83 |
| 2000 | 0.78 |
| 3000 | 0.69 |
En altitudes elevadas, la capacidad del compresor se reduce significativamente. Un compresor de 1000 CFM a nivel del mar solo entrega ~780 CFM a 2000 metros.