¿Qué es el oleaje en compresores centrífugos?

Introducción

En compresores centrífugos, el fenómeno más comúnmente asociado a fluctuaciones de presión y flujo en gases es el oleaje (surge) y no la cavitación. La diferencia clave radica en que la cavitación ocurre en líquidos cuando la presión desciende hasta el punto de evaporación, generando burbujas de vapor que colapsan violentamente. En cambio, en un compresor centrífugo, donde el fluido es gas, no hay un cambio de fase similar.

El oleaje en compresores centrífugos es un fenómeno inestable donde el flujo de gas a través del compresor se invierte de manera cíclica debido a un desbalance entre la presión de descarga y la capacidad del sistema de succión. Esto provoca vibraciones, variaciones en la presión y posibles daños mecánicos en los impulsores y cojinetes.

Aunque la terminología correcta en compresores es “oleaje” o “pérdida de estabilidad del flujo”, algunos ingenieros pueden referirse erróneamente a ciertas inestabilidades en el gas como “cavitación”, ya que ambos fenómenos comparten síntomas como ruido, vibraciones y pérdida de eficiencia.

¿Cómo ocurre el oleaje?

El oleaje es un fenómeno de inestabilidad de flujo que ocurre en compresores centrífugos cuando la cantidad de gas que entra al compresor es insuficiente para mantener la presión de descarga. Esto provoca una oscilación cíclica del flujo, en la que el gas fluye hacia adelante y luego se revierte de manera intermitente¹.

A diferencia de la cavitación en bombas, donde hay formación y colapso de burbujas de vapor, en el oleaje no hay cambio de fase. En su lugar, el gas comprimido se ve obligado a retroceder debido a un desbalance en la presión entre la succión y la descarga del compresor. Este flujo oscilante genera vibraciones fuertes y puede causar daños severos en los rodamientos, impulsores y sellos mecánicos.

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Causas del oleaje en compresores centrífugos

El oleaje se produce cuando el compresor opera cerca de su límite de flujo mínimo, es decir, cuando la demanda de gas disminuye por debajo de la capacidad del equipo. Las causas comunes incluyen:

1. Fluctuaciones en la demanda del proceso, que reducen el flujo de entrada al compresor.
2. Mal diseño del sistema de control, que no regula adecuadamente la presión de descarga.
3. Aumento excesivo de la contrapresión en la línea de descarga, lo que impide que el gas fluya correctamente.
4. Baja velocidad de operación del compresor, que reduce su capacidad de mantener una compresión estable.
5. Fallas en válvulas de control o sistemas de bypass, lo que impide corregir las condiciones de flujo.

Consecuencias del oleaje en compresores industriales

El oleaje es un fenómeno extremadamente dañino para compresores centrífugos en refinerías y plantas petroquímicas. Sus efectos incluyen:

• Vibraciones severas, que pueden ocasionar fatiga en componentes mecánicos.
• Aumento de la temperatura en cojinetes y sellos mecánicos, lo que reduce su vida útil.
• Desgaste acelerado de los impulsores, debido a las fuerzas inestables en el flujo.
• Pérdidas de eficiencia y riesgo de apagado de emergencia del compresor.
• Daños en el sistema de tuberías, ya que los cambios de presión pueden generar golpes de ariete.

¿Cómo se mitiga el oleaje en compresores centrífugos?

Para evitar que el compresor entre en surge, se implementan diversas estrategias de diseño y control:

Sistemas de control de anti-surge

Los sistemas de control anti-surge utilizan sensores de presión y flujo para monitorear la operación del compresor y prevenir que opere en la zona de inestabilidad. 

Estos sistemas:

• Detectan cuando el flujo cae a niveles peligrosos.
• Activan válvulas de recirculación para aumentar el flujo de entrada.
• Ajustan la velocidad del compresor para estabilizar la compresión.

Válvula de recirculación o bypass

Cuando se detecta que el flujo de gas se está reduciendo demasiado, se abre una válvula de recirculación que redirige parte del gas de descarga de vuelta a la succión. Esto evita que el flujo disminuya por debajo del umbral de surge y mantiene la estabilidad del compresor.

Variadores de velocidad (VFD)

Algunos compresores utilizan variadores de frecuencia (VFD) para ajustar su velocidad de operación y adaptarse a cambios en la demanda de gas sin caer en el surge.

Diseño adecuado del sistema de tuberías

Se recomienda diseñar la tubería de succión y descarga del compresor con dimensiones y restricciones óptimas para minimizar variaciones de presión y evitar condiciones que favorezcan el surge.

Evitar operar cerca del límite de surge

Es fundamental operar dentro de la curva de rendimiento segura del compresor, evitando puntos de trabajo con bajo flujo.

¿Cómo interactúan los fluidos líquidos y gaseosos con una válvula de control y qué fenómenos pueden presentarse en cada caso?

• Si el fluido es un líquido
  • En una válvula de control, si la presión cae por debajo de la presión de vapor del líquido, se pueden formar burbujas de vapor dentro del fluido.
  • Cuando estas burbujas atraviesan la válvula y la presión se recupera, implosionan violentamente, causando cavitación.
  • Esto genera erosión en los internos de la válvula, ruido y vibraciones.

Conclusión: Si el fluido es un líquido, una caída de presión abrupta sí puede provocar cavitación en una válvula de control.

• Si el fluido es un gas
  • A diferencia de los líquidos, los gases no tienen una presión de vapor definida, ya que no experimentan cambios de fase por una caída de presión en las condiciones típicas de operación.
  • Sin embargo, una caída de presión brusca en una válvula de control puede generar expansión rápida del gas y velocidades supersónicas, lo que puede causar ondas de choque y flujo turbulento.
  • Si el gas comprimido en la descarga del compresor encuentra una restricción (por ejemplo, la válvula de control cerrándose demasiado), esto puede reducir excesivamente el flujo y llevar al surge del compresor.

Fenómenos a considerar en válvulas de control de gas

Si bien la cavitación ocurre solo en líquidos, en gases hay otros efectos a tener en cuenta:

Flujo sónico (Choked Flow o Flujo Crítico): Si la presión aguas abajo es demasiado baja, la velocidad del gas puede alcanzar la del sonido en la vena más estrecha de la válvula, limitando el caudal.

El estrangulamiento sónico ocurre cuando alguna localización en la tubería experimenta una velocidad local igual a la velocidad sónica del gas.

Tipos de estrangulamiento sónico

El estrangulamiento sónico puede ocurrir en tres configuraciones geométricas en un sistema de tuberías.

Estrangulamiento en el punto final: Ocurre al final de una tubería cuando sale a un recipiente grande o a la atmósfera. En esta situación, el gas no puede reducir su presión para igualar la de la descarga sin acelerar hasta alcanzar una velocidad sónica, produciéndose un punto de estrangulamiento al final de la tubería, lo que da lugar a una discontinuidad de presión a través de la cual se cumple la condición de presión de descarga.

Estrangulamiento por expansión: Sé produce cuando el área de flujo de la tubería aumenta rápidamente. Por ejemplo, esto ocurre cuando la tubería se expande de una tubería de dos pulgadas a una tubería de tres pulgadas. Otro ejemplo es cuando una tubería entra en un divisor de flujo en el que la suma de las áreas de las tuberías del lado del divisor supera el área de la tubería de suministro.

Se forma un punto de estrangulamiento al final de la tubería de suministro y se establece una discontinuidad de presión.

Estrangulamiento por restricción: Esto puede ocurrir cuando el gas fluye a través de una restricción en la tubería, como un orificio o una válvula. En tal caso, el área de flujo del gas se reduce, lo que provoca un aumento local de la velocidad que puede alcanzar la velocidad sónica. En la restricción se forma un punto de estrangulamiento, con una discontinuidad de presión similar a la de los dos primeros casos.

El flujo sónico (también conocido como flujo estrangulado o flujo crítico) es un fenómeno fundamental en dinámica de fluidos compresibles. A continuación, se presenta algunas definiciones al respecto:

Definiciones básicas

1. Flujo sónico (Sonic flow): Condición donde la velocidad del fluido alcanza la velocidad del sonido (M=1M = 1M=1) en un punto específico del sistema, generalmente en una restricción geométrica (válvula, tobera u orificio).
2. Flujo estrangulado (Choked flow): Estado límite donde el caudal másico no puede aumentar aunque disminuya la presión aguas abajo , debido a que el fluido alcanza velocidad sónica en la restricción.
3. Flujo crítico (Critical flow): Punto en el que el gradiente de presión aguas abajo no afecta el caudal másico. Se rige por la relación crítica de presiones.

Relación con equipos rotativos

Los compresores centrífugos pueden experimentar flujo estrangulado en sus válvulas de descarga o difusores cuando:

• La presión de descarga cae por debajo del 47-58% de la presión de succión (dependiendo del gas).
• Se generan ondas de choque que limitan el caudal, afectando la eficiencia isentrópica.

Sin embargo, el fenómeno no es exclusivo de estos equipos. Los ventiladores, turbinas de gas y sistemas de refrigeración también están sujetos a estas condiciones.

Aplicaciones prácticas

Componente	Función	Ejemplo
Toberas Laval	Acelerar flujos a supersónico	Motores cohete
Venturis sónicos	Control de flujo sin partes móviles	Industria química
Válvulas de alivio	Limitar caudal en emergencias	Plantas nucleares
Orificios críticos	Calibración de caudalímetros	Laboratorios

Este desarrollo técnico integra principios termodinámicos, mecánica de fluidos y aplicaciones industriales, siendo fundamental para el diseño seguro de sistemas que manejen gases a altas presiones.

• Expansión rápida y enfriamiento: Cuando un gas se expande abruptamente, su temperatura disminuye (Efecto Joule-Thomson), lo que puede provocar condensación en ciertos gases con hidrocarburos.
• Vibraciones y ruido: La turbulencia en la válvula puede generar pulsaciones que afectan la estabilidad del compresor.
• Surge del compresor: Si la válvula reduce demasiado el flujo, puede provocar un flujo inverso y oscilaciones en el compresor, llevándolo a surge.

Conclusiones

En sistemas que manejan gases, como los compresores centrífugos utilizados en refinerías y plantas petroquímicas, es fundamental diferenciar entre fenómenos como cavitación y oleaje (surge), ya que sus causas, consecuencias y estrategias de mitigación son distintas. Mientras que la cavitación es propia de líquidos y ocurre cuando la presión cae por debajo del punto de vapor, el oleaje está asociado a gases comprimidos y puede desencadenarse por una caída excesiva en el caudal, provocando inestabilidad operativa, daños mecánicos e incluso paradas no programadas.

Es importante implementar sistemas de control anti-surge, válvulas de recirculación bien calibradas y un diseño integral que contemple las condiciones dinámicas del proceso. De esta forma, no solo se protege la integridad de los equipos, sino que se optimiza el desempeño energético y se garantiza la continuidad operativa en instalaciones críticas.

Referencias 

1. https://en.wikipedia.org/wiki/Choked_flow
2. Justin Miller, Loyd Hilliard; “Enhanced anti-surge protection with engineered flow deadband” May 4, 2021; processingmagazine. https://www.processingmagazine.com/valves-actuators/article/21217099/enhanced-anti-surge-protection-with-engineered-flow-deadband