Piedras angulares de la compresión: compresores rotativos de paletas deslizantes

Por Norm Shade 17 de julio de 2023

Después de los alternativos, los compresores de paletas deslizantes, también conocidos como compresores de paletas rotativas, son uno de los tipos de compresores más antiguos. La primera descripción conocida de una bomba de paletas deslizantes se encuentra en un libro del ingeniero italiano, Agostino Ramelli, escrito en 1588.

La bomba de paletas rotativas fue patentada el 16 de junio de 1874 por Charles C. Barnes, un ingeniero de Sackville, New Brunswick, Canadá, a quien generalmente se le atribuye la invención del diseño moderno. Los compresores y bombas de paletas rotativas se han producido desde principios del siglo XX, y varias empresas los han producido por miles.

El compresor de paletas rotativas utiliza movimiento centrífugo para comprimir aire u otro gas. El rotor cilíndrico está situado excéntricamente en una carcasa estacionaria, de modo que esté más cerca del orificio de la carcasa cilíndrica en el puerto de descarga y más alejado de él en el puerto de entrada.

La carcasa tiene una entrada grande y una salida o puerto de descarga comparativamente más pequeño. El rotor excéntrico tiene múltiples ranuras radiales, cada una de las cuales está equipada con una paleta o paleta accionada por resorte. Las paletas están hechas de acero o materiales de fibra sintética. Los resortes y la fuerza centrífuga empujan los extremos exteriores de las paletas contra el orificio de la carcasa para garantizar que haya una fuga mínima de gas entre paletas adyacentes.

Dependiendo de la aplicación, las máquinas pueden estar lubricadas o no lubricadas. Si el compresor está lubricado con aceite, habrá una fina capa de aceite entre las paletas y la carcasa que también ayuda a sellar contra fugas de gas más allá de las puntas de las paletas durante el funcionamiento.

El espacio entre aletas adyacentes forma una bolsa. A medida que el rotor excéntrico gira en el orificio de la carcasa cilíndrica, cada paleta se desplaza hacia su ranura radial en el rotor. Esto disminuye progresivamente el volumen de la bolsa entre paletas adyacentes a medida que giran desde la entrada hasta la descarga.

La disminución de volumen aumenta la presión del gas atrapado. La fuerza de las paletas y la tasa de fuga más allá de las puntas de las paletas limitan la presión diferencial a través de una paleta. Por lo tanto, los compresores con una relación de presión más alta requieren más paletas. Un compresor rotativo de paletas de una sola etapa típico tiene una relación de presión de 5:1, con algunos modelos de alta presión de hasta 7:1 u 8:1. Cuanto mayor es el número de paletas, menor es la diferencia de presión entre espacios adyacentes alrededor del rotor.

Las aplicaciones de relación de alta presión pueden requerir hasta 20 o 30 paletas. La mayoría de los compresores de paletas rotativas están limitados a presiones de 150 psig (10,3 bar) o menos. Aunque son livianos y versátiles, su eficiencia es baja en comparación con los compresores alternativos. La tecnología de paletas deslizantes rotativas se ha aplicado para la compresión de aire y gas, servicios de vacío, bombeo de líquidos y transferencia de sólidos a granel.

Blackmer fue una de las primeras empresas en desarrollar máquinas de paletas deslizantes. Antes del cambio de siglo XX, se entendía generalmente que una bomba rotativa era una “bomba de engranajes”, que consistía principalmente en dos engranajes engranados que atrapaban líquido entre los dientes del engranaje y la carcasa de la bomba, creando pequeñas cavidades de sellado que transportaban el fluido a medida que giraba. , forzando el líquido a salir por el otro lado.

Pero en 1899, RM Blackmer ideó un diseño de bomba de paletas que suponía una desviación importante del principio de la bomba de engranajes. En contraste con el caudal de una bomba de engranajes que cae constantemente a medida que los dientes del engranaje se desgastan, la pérdida de una bomba de paletas es prácticamente insignificante. A medida que las paletas se desgastan en las puntas, simplemente se alejan más de las ranuras del rotor para autoajustarse y mantener la velocidad original. Blackmer no podría haber elegido un mejor momento para inventar este ingenioso tipo de bomba.

La llegada del automóvil estaba dando al país una nueva sed de gasolina y petróleo. La industria petrolera estaba creciendo a pasos agigantados y la joven empresa estaba preparada para expandirse con ella. La bomba de paletas de Blackmer engendró una familia de cientos de modelos de bombas diferentes. La empresa Blackmer se fundó en Petoskey, MI y se trasladó a su ubicación actual en Grand Rapids, MI en 1925.

En 1908, Karl Wittig desarrolló una patente en Alemania para un compresor de paletas deslizantes con múltiples paletas. Al cabo de cinco años obtuvo la licencia como System Wittig. Los compresores de paletas rotativas y las bombas de vacío Wittig se utilizaron en muchas aplicaciones y continúan hoy como parte de Gardner Denver con nichos en servicios de vacío, transferencia de líquidos y gases a granel seco y.

En 1930, Allis-Chalmers de Milwaukee, WI, fue una de las primeras empresas en adaptar la tecnología de paletas rotativas a aplicaciones de compresores. Su compresor de paletas rotativas Ro-Flo se desarrolló originalmente como un compresor de aire para plantas, pero gradualmente encontró aplicaciones en la compresión de gases húmedos y ácidos.

Los productos Allis-Chalmers cambiaron de manos en los años siguientes, pero el producto Ro-Flo sobrevivió y Ro-Flo Compressors se convirtió en una empresa independiente en 2007. Los compresores Ro-Flo evolucionaron hasta convertirse en algunas de las máquinas de mayor capacidad de la industria, operando a 200 psig. con una relación de presión de hasta 7:1 en una sola etapa.

James W. Fuller III fundó una empresa en Lehigh Valley, PA en 1926. Comenzó como una fundición y pronto diseñó productos y procesos especializados para la industria del cemento y otras industrias. Para ayudar a los clientes en la carga y descarga de materiales, adquirió los derechos de un diseño francés de compresor rotativo multipaletas en 1931.

Desarrolló la tecnología para aplicaciones de compresores y bombas de vacío. En comparación con los compresores alternativos, el nuevo diseño de paletas era compacto, tenía vibraciones insignificantes y no tenía pulsaciones. Desde 1990, los compresores Fuller han sido un producto de FLSmidth.

Los compresores y bombas de paletas rotativas se han utilizado en cientos de aplicaciones diferentes. Además de proporcionar aire comprimido, los compresores de paletas rotativas se utilizan para mover sólidos a granel y transferir líquidos. Se utilizan en aplicaciones de petróleo y gas, producción de gas industrial, recuperación de vapor y servicios de vacío.

También se han utilizado comúnmente en vehículos para sobrealimentación de motores, compresores de aire acondicionado y dirección asistida y bombas de transmisión automática. Pueden diseñarse para manejar casi cualquier gas imaginable, incluidos gases ácidos y amargos, hidrógeno e hidrocarburos pesados.

Dado que pueden manejar flujo bifásico, también se utilizan para comprimir corrientes de gas que están cerca de su punto de rocío y tienen líquidos presentes.