Compresores de Dos Etapas

Los compresores de tornillo de dos etapas utilizan dos unidades de compresión en serie para alcanzar presiones más altas o mayor eficiencia.

¿Por Qué Dos Etapas?

Limitaciones de Una Etapa

Una sola etapa de compresión tiene límites prácticos:

Factor	Límite típico (1 etapa)
Presión máxima	13-15 bar
Relación de compresión	8-10:1
Temperatura de descarga	100°C (lubricado)
Eficiencia	Decrece >10 bar

Ventajas de Dos Etapas

              UNA ETAPA                    DOS ETAPAS

    1 bar ═══════════════> 10 bar    1 bar ══> 3.5 bar ══> 10 bar
              RC = 10                    RC₁=3.5    RC₂=2.9

    Más calor generado                Menos calor total
    Menos eficiente                   Más eficiente

Beneficios:

1. Mayor eficiencia: 10-15% mejor que una etapa a >10 bar
2. Menor temperatura: Enfriamiento entre etapas
3. Mayor presión: Hasta 25 bar o más
4. Menor estrés: Cada etapa trabaja menos

Configuraciones

Dos Etapas Lubricado

┌────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                                                                │
│   Admisión    ┌──────────┐           ┌──────────┐    Descarga │
│   ──────────→ │ Etapa 1  │ ────────→ │ Etapa 2  │ ──────────→ │
│    1 bar      │ (baja P) │  3-4 bar  │ (alta P) │   10-25 bar │
│               └────┬─────┘           └────┬─────┘             │
│                    │                      │                   │
│                    ↓                      ↓                   │
│               Aceite común           Aceite común             │
│               (un solo sistema)                               │
│                                                               │
└────────────────────────────────────────────────────────────────┘

Características del lubricado dos etapas:

• Sistema de aceite compartido
• Un solo tanque separador
• Enfriamiento por aceite en ambas etapas
• Temperatura controlada

Dos Etapas Oil-Free

┌────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                                                                │
│   Admisión    ┌──────────┐  ┌────────┐  ┌──────────┐  Descarga│
│   ──────────→ │ Etapa 1  │─→│Inter-  │─→│ Etapa 2  │────────→ │
│    1 bar      │ (baja P) │  │cooler  │  │ (alta P) │  8-10 bar│
│               └──────────┘  └────────┘  └──────────┘          │
│                    │                          │               │
│                 ~180°C        ~35°C        ~160°C             │
│                                                               │
└────────────────────────────────────────────────────────────────┘

Características del oil-free dos etapas:

• Intercooler esencial (reduce temperatura)
• Cada etapa tiene engranajes propios
• Sincronización independiente
• Mayor complejidad

Cálculo de Relaciones de Compresión

Distribución Óptima

Para máxima eficiencia, las relaciones de compresión deben ser iguales en cada etapa:

$$RC_{óptima} = \sqrt[n]{RC_{total}}$$

Donde $n$ = número de etapas.

Ejemplo para 10 bar (RC total ≈ 10):

$$RC_{etapa} = \sqrt{10} = 3.16$$

• Etapa 1: 1 bar → 3.16 bar
• Etapa 2: 3.16 bar → 10 bar

Presión Intermedia

$$P_{intermedia} = \sqrt{P_{succión} \times P_{descarga}}$$

Ejemplo:

$$P_{int} = \sqrt{1 \times 10} = 3.16 \text{ bar abs}$$

Intercooler

Función

El intercooler entre etapas:

1. Reduce temperatura del aire antes de la segunda etapa
2. Condensa agua (aire más frío = menos humedad)
3. Aumenta densidad del aire (más eficiencia en etapa 2)
4. Protege la segunda etapa de temperaturas excesivas

Diseño

Tipo	Aplicación
Aire-aire	Más común, simple
Agua-aire	Alta capacidad, enfriamiento superior

Temperaturas típicas:

Punto	Temperatura
Salida etapa 1	140-180°C (oil-free)
Salida intercooler	35-45°C
Entrada etapa 2	35-45°C
Salida etapa 2	140-180°C (oil-free)

Eficiencia Energética

Comparación

Configuración	Consumo específico @ 10 bar
Una etapa lubricado	6.5-7.5 kW/(m³/min)
Dos etapas lubricado	5.5-6.5 kW/(m³/min)
Una etapa oil-free	7.5-9 kW/(m³/min)
Dos etapas oil-free	6.5-7.5 kW/(m³/min)

Ahorro Energético

El ahorro de dos etapas vs. una etapa aumenta con la presión:

Presión	Ahorro típico
7 bar	3-5%
10 bar	8-12%
13 bar	12-18%
20 bar	20-30%

$$\text{Ahorro anual} = kW_{ahorrados} \times \text{horas} \times \$/kWh$$

Ejemplo (100 HP @ 13 bar, 8,000 h/año, $0.10/kWh):

$$\text{Ahorro} = 15\% \times 75 \text{ kW} \times 8{,}000 \text{ h} \times \$0.10 = \$9{,}000/\text{año}$$

Aplicaciones

Cuándo Usar Dos Etapas

Aplicación	Recomendación
Presión >13 bar	Dos etapas requerido
Presión 10-13 bar	Dos etapas recomendado
Operación continua a alta presión	Dos etapas (eficiencia)
Aire de respiración (200+ bar)	Múltiples etapas
Soplado PET (40 bar)	Dos etapas + booster

Aplicaciones Típicas

Industria	Presión	Tipo
Soplado PET	25-40 bar	Dos etapas + booster
Láser CO₂	13-20 bar	Dos etapas
Fibra óptica	15-20 bar	Dos etapas oil-free
Textil (telares)	10-13 bar	Dos etapas lubricado
Gas natural (CNG)	200-250 bar	Multi-etapa

Consideraciones de Diseño

Sincronización de Etapas

Las dos etapas deben estar balanceadas:

• Flujo de etapa 1 = Capacidad de etapa 2
• Control coordinado de ambas etapas
• Protección si una etapa falla

Arranque

Secuencia de arranque típica:

1. Arrancar etapa 1
2. Esperar presión intermedia estable
3. Arrancar etapa 2
4. Transición a operación normal

Control de Capacidad

Opciones para dos etapas:

Método	Descripción
Descarga de etapa 1	Reduce flujo a ambas etapas
VSD en ambas	Control preciso, complejo
VSD solo etapa 1	Más simple, efectivo
Bypass entre etapas	Menos eficiente

Mantenimiento

Puntos Adicionales

Comparado con una etapa, revisar:

Componente	Intervalo
Intercooler	Limpieza anual
Válvulas entre etapas	Inspección anual
Balance de presiones	Mensual
Sincronización	Anual

Diagnóstico

Síntoma	Causa posible
Presión intermedia alta	Restricción en etapa 2
Presión intermedia baja	Problema en etapa 1
Alta temperatura post-inter	Intercooler sucio
Ruido entre etapas	Válvula de retención