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En el núcleo de innumerables operaciones industriales, los tipos de compresores desempeñan un papel vital al aumentar la presión de los gases para una amplia variedad de procesos. Desde el transporte de gases hasta la generación de energía y la automatización de procesos, estos equipos representan no solo una necesidad técnica, sino también un componente estratégico para lograr eficiencia energética, productividad y confiabilidad operativa.
Por definición, los compresores están diseñados para comprimir una sustancia en estado gaseoso. Para predecir el rendimiento del compresor y calcular las cargas de los distintos componentes, necesitamos métodos que permitan predecir las propiedades del gas. Los compresores de proceso se utilizan para comprimir una amplia gama de gases en diversas condiciones.
Fundamentos termodinámicos en el diseño de compresores
Propiedaes termodinámicas
Para predecir el rendimiento del compresor, se necesitan métodos para calcular la entalpía, la energía interna y la entropía del gas. También suele ser conveniente utilizar el exponente isentrópico de volumen nV y el exponente isentrópico de temperatura nT.
Leyes termodinámicas
Para calcular los ciclos de un compresor, se requieren la ecuación de la energía, las relaciones que se aplican a un cambio de estado isentrópico y la ley del flujo de fluidos a través de una restricción.
La ecuación de la energía para una masa fija de gas establece simplemente que el aumento de energía del gas es igual al trabajo realizado sobre el gas menos el calor transferido del gas al entorno.
Para las condiciones de un compresor, podemos ignorar los cambios en la energía potencial y química. En aplicaciones donde se utiliza la ecuación de la energía para una masa fija de gas, generalmente también podemos ignorar los cambios en la energía cinética.
Ciclos de compresión
Todo compresor se basa en un principio termodinámico: aumentar la presión de un gas implica realizar trabajo mecánico sobre él. Este proceso, idealmente isentrópico, involucra transformaciones en la entalpía, temperatura, volumen específico y densidad del gas. La eficiencia real del proceso depende de múltiples factores: condiciones de entrada, calor disipado, diseño del equipo y tipos de compresores empleados1.
El trabajo suministrado a un compresor se destina a aumentar la presión del gas, su temperatura y cualquier calor transferido fuera del compresor. En la mayoría de los casos, el requisito es aumentar la presión del gas utilizando la menor energía posible.
Si el proceso de compresión es adiabático, es decir, no hay transferencia de calor entre el compresor y el exterior, se realizará el menor trabajo si el proceso es isentrópico. Esto implica que no hay pérdidas en el compresor, lo cual es un objetivo inalcanzable, pero que puede utilizarse como base para la eficiencia de compresión2.
La eficiencia isentrópica de un compresor se define como el trabajo necesario para comprimir el gas en un proceso isentrópico dividido entre el trabajo real utilizado para comprimir el gas. La eficiencia de un compresor se suele expresar como eficiencia isentrópica.
Parámetros clave incluyen:
- Razón de compresión (Presión de salida / Presión de entrada).
- Eficiencia isentrópica (relación entre el trabajo ideal y real).
- Potencia específica (kW/100 SCFM).
- Flujo másico y relación volumétrica.
Clasificación general de los compresores industriales
Según la British Compressed Air Society (2001, como se cita en Mobley, 2001), los sistemas de aire comprimido deben diseñarse considerando pérdidas por fugas, eficiencia volumétrica y control de demanda3. Los tipos de compresores industriales se clasifican, en su forma más general, en dinámicos y desplazamiento positivo:
Compresores dinámicos
Los compresores dinámicos son equipos rotativos que funciona a una presión constante donde el elemento que gira rápidamente acelera el aire a medida que pasa a través del elemento, convirtiendo la carga de velocidad en presión, parcialmente en el elemento giratorio y parcialmente en difusores o aspas estacionarios4. Se pueden subdividir en centrífugos o axiales.
Transfieren energía al gas mediante la aceleración de partículas y la posterior conversión de velocidad en presión, funcionan acelerando moléculas de gas mediante un rotor o impulsor, convirtiendo posteriormente esa energía cinética en presión mediante un difusor. El rendimiento de un compresor dinámico se ve afectado por las condiciones externas, por ejemplo, un cambio en la temperatura de entrada provoca un cambio en la capacidad. Se pueden subdividir en centrífugos o axiales.
Los compresores dinámicos centrífugos
Presentan un diseño de flujo radial, en el que el aire es succionado axialmente y expulsado mediante fuerza centrífuga. Están diseñados para manejar grandes volúmenes de gas a bajas presiones, transfiriendo energía al fluido a través de impulsores rotativos de alta velocidad. Son ideales para procesos continuos y están presentes en refinerías, criogénicos y grandes plantas de Calefacción, Ventilación y Aire Acondicionado (HVAC, del inglés Heating, Ventilation and Air Conditioning). En la siguiente figura 1, se aprecia una imagen de este tipo de compresores.
Descripción y funcionamiento de un compresor centrífugo
Están conformados por los siguientes componentes: Carcasa exterior (A) que contiene una parte del estator, denominada haz de diafragmas (B), y de un rotor formado por un eje (C), uno o más impulsores (D), un tambor de equilibrio (E) y un collarín de empuje (F), el eje central, los impulsores dispuestos en serie, los difusores y las carcasas de soporte. En la figura 1, se muestra un corte transversal detallado de un compresor centrífugo multietapa, donde se observan claramente los componentes principales del sistema antes mencionados.
El rotor se acciona mediante un cubo (G) y se mantiene en posición axialmente mediante un cojinete de empuje (I), mientras gira sobre cojinetes lisos (H). El rotor está equipado con sellos laberínticos (L) y, si es necesario, sellos de película de aceite en los extremos (M).
El gas se introduce en el compresor a través de una boquilla de succión y entra en una cámara anular (voluta de entrada), fluyendo desde esta hacia el centro desde todas las direcciones en un patrón radial uniforme. En el lado opuesto de la cámara a la boquilla de succión hay una aleta para evitar vórtices de gas.
Descripción y funcionamiento de un compresor dinámico axial
Funcionan con múltiples etapas de álabes fijos donde el flujo de aire se desplaza en forma continua y en dirección axial, es decir, paralela al eje de rotación, por lo que presentan una geometría alargada y compacta. Están compuestos por una serie de etapas formadas por discos rotatorios (rotores) y estacionarios (estatores), dispuestos alternadamente. Dada su alta velocidad de rotación, se acoplan perfectamente a turbinas de gas para la generación de electricidad y la propulsión de aviones.
En la figura 3, se puede ver un compresor axial de MAN, que trabaja en combinación con una etapa radial, donde se incrementa la presión a valores superiores.
Compresores de desplazamiento positivo: funcionamiento y aplicación industrial
A diferencia de los compresores dinámicos operan a caudal constante, comprimen el gas atrapando a volúmenes finitos y de reduciéndolos mecánicamente, en una cámara cerrada. Funciona comprimiendo una determinada cantidad de gas, confinarla en un espacio de volumen decreciente, y forzar su salida una vez alcanzada la presión deseada. Este tipo de compresión es cíclica, precisa y altamente eficiente a bajas y medias presiones, lo que los convierte en piezas clave en diversas industrias.
El ciclo de compresión en un compresor de desplazamiento positivo sigue tres etapas básicas:
- Admisión: El gas entra en una cámara o cavidad a presión atmosférica a través de una válvula de entrada.
- Compresión: Un elemento móvil —como un pistón, tornillo, paletas o lóbulos— reduce progresivamente el volumen disponible para el gas, lo que incrementa su presión.
- Descarga: Una vez alcanzada la presión objetivo, se abre una válvula de salida y el gas comprimido es expulsado hacia la línea de proceso.
Tipos de compresores de desplazamiento positivo
- Compresores alternativos (reciprocantes): utilizan un pistón dentro de un cilindro.
- Compresores de tornillo: con rotores helicoidales entrelazados.
- Compresores de paletas rotativas: con un rotor excéntrico y paletas móviles.
- Compresores lobulares o scroll: menos comunes, pero efectivos en ciertas aplicaciones especializadas.
A continuación se describe cada uno de los tipos:
- Compresores alternativos (reciprocantes): Los compresores alternativos funcionan mediante el movimiento lineal de un pistón dentro de un cilindro, generando compresión al reducir el volumen de la cámara donde el gas es confinado. Durante la carrera descendente, el pistón permite la entrada del gas, y en la carrera ascendente lo comprime, forzándolo a salir por una válvula de descarga. Estos compresores pueden ser de una o múltiples etapas, dependiendo de la presión requerida, y están disponibles en versiones lubricadas o libres de aceite (oil-free). Son especialmente adecuados para aplicaciones de alta presión y manejo de gases industriales complejos, como amoníaco, hidrógeno o CO₂, por lo que son comunes en plantas químicas, estaciones de GNC, y sistemas de aire comprimido industriales.
- Compresores de tornillo: Los compresores de tornillo emplean dos rotores helicoidales entrelazados —macho y hembra— para atrapar el gas y reducir su volumen progresivamente mientras se desplaza a lo largo del eje de los rotores. El sellado entre los lóbulos puede lograrse mediante inyección de aceite, agua o con tolerancias mecánicas precisas (en modelos oil-free). Esta tecnología permite una operación continua, sin válvulas ni pulsaciones, lo que resulta en un flujo de gas estable, eficiente y con bajo nivel de ruido. Se utilizan ampliamente en sistemas de refrigeración, HVAC, procesos petroquímicos y otras aplicaciones que requieren caudales constantes a presiones medias.
- Compresores de paletas rotativas: Este tipo de compresor cuenta con un rotor montado excéntricamente dentro de un cilindro, al cual se le insertan paletas deslizantes que se mueven radialmente hacia afuera por fuerza centrífuga. A medida que el rotor gira, las paletas forman cámaras de volumen variable que aspiran, comprimen y descargan el gas. Su diseño es compacto, de pocas piezas móviles, y proporciona un flujo relativamente uniforme, aunque con menor eficiencia que los compresores de tornillo. Son ideales para aplicaciones de presión baja a media, como herramientas neumáticas, sistemas de vacío, refrigeración liviana y maquinaria industrial auxiliar.
- Compresores scroll (o espirales): Los compresores scroll utilizan dos espirales: una fija y otra móvil, que se mueven en una órbita excéntrica sin rotar, generando una serie de cavidades que disminuyen de tamaño hacia el centro a medida que el gas avanza. Esta reducción progresiva de volumen comprime el gas de forma silenciosa, eficiente y sin vibraciones. Debido a su diseño libre de aceite y operación suave, los scroll son particularmente adecuados para sistemas de aire acondicionado, refrigeración médica, laboratorios, y aplicaciones electrónicas sensibles. Aunque no son comunes en procesos industriales pesados, su eficiencia y bajo mantenimiento los hacen cada vez más populares en sistemas HVAC de alta precisión
Aplicaciones industriales
Los compresores de desplazamiento positivo son ampliamente utilizados en:
- Plantas químicas y petroquímicas, donde se requiere compresión precisa de gases reactivos o combustibles.
- Sistemas HVAC y refrigeración, por su capacidad de operar a presiones constantes y mantener caudales estables.
- Industria alimentaria y farmacéutica, especialmente los modelos oil-free (sin lubricación).
- Automatización industrial y neumática, en el suministro de aire comprimido para herramientas y actuadores.
En el siguiente video aprenderás de manera visual y didáctica el principio de funcionamiento de los compresores de desplazamiento positivo, una tecnología fundamental en la compresión de gases industriales. Cortesía de: Soluciones de aprendizaje electrónico THORS
Como funciona un compresor de desplazamiento positivo.
Eficiencia energética
El consumo de energía en compresores puede representar entre el 8% y el 15% de la electricidad total de una planta industrial. Por ello, la selección debe considerar no solo la eficiencia instantánea, sino el rendimiento a largo plazo.
Estrategias clave:
- Uso de variadores de frecuencia.
- Inter enfriamiento en sistemas multietapa.
- Recuperación de calor para precalentamiento de fluidos o calefacción.
- Reducción de fugas en redes de aire comprimido.
- Optimización del punto de operación.
Comparativa aerodinámica: Centrífugo vs. axial
| Aspecto | Compresor centrífugo | Compresor axial |
| Dirección del flujo | Radial | Axial |
| Transferencia de energía | Impulsor y difusor | Staged rotor and stator |
| Relación de compresión | Alta por etapa (~3:1 a 10:1) | Baja por etapa (~1.2:1) |
| Flujo específico | Bajo a medio | Alto (ideal para grandes caudales) |
| Diseño compacto | Sí (1 etapa puede ser suficiente) | No (requiere muchas etapas) |
| Aplicaciones típicas | Plantas industriales, HVAC, turbochargers | Turbinas de gas, aviación, plantas de ciclo combinado |
Cada industria impone requerimientos específicos sobre presión, caudal, confiabilidad y normativa:
- Talleres: compresores de pistón o tornillo pequeños.
- Refinerías: centrífugos multietapa o alternativos de alta presión.
- Plantas químicas: compresores de tornillo o centrífugos para gases corrosivos.
- HVAC industrial: scroll, tornillo y centrífugos.
- Industria alimentaria: tornillo libre de aceite.
También influyen factores como: facilidad de mantenimiento, fiabilidad operacional, disponibilidad de repuestos, eficiencia energética y cumplimiento normativo (API 618/672/619 según el caso).
Mantenimiento avanzado y fiabilidad
El mantenimiento de tipos de compresores modernos va más allá del reemplazo de filtros y lubricantes. La tendencia actual se orienta al monitoreo basado en condición (CBM) y mantenimiento predictivo. Entre las tecnicas y erramintas se incluyen:
- Análisis de vibraciones y ultrasonido.
- Monitoreo de temperatura y presión.
- Sensores piezoeléctricos y sistemas SCADA.
- Inspecciones no destructivas (END) en cámaras y sellos.
- Balanceo dinámico de componentes rotativos.
Conclusiones
La elección del compresor ideal no puede basarse solo en el precio inicial. Un enfoque técnico que considere los principios de funcionamiento, el tipo de compresor, su eficiencia energética y su adaptabilidad a la aplicación específica es esencial para alcanzar altos niveles de rendimiento industrial y sostenibilidad.
Los compresores constituyen una categoría especial de máquinas de proceso. Operan con fluidos compresibles y se caracterizan por un aumento apreciable de la densidad del fluido entre la primera y la última etapa de compresión.
El proceso de compresión se distribuye frecuentemente en varias etapas, término utilizado para indicar un sistema elemental compuesto por álabes móviles, en los que el fluido adquiere energía, y álabes fijos, en los que la energía se transforma.
Referencias
- Edmister, Wayne C., Applied Hydrocarbon Thermodynamics, Gulf Publishing, 1961, L. of C. 61-17939.
- Gas Properties and Compressor Data, Ingersoll-Rand Company Form 3519D.
- Mobley, R. K. (Ed.). (2001). Plant engineer’s handbook (pp. 587, 589–599). British Compressed Air Society. https://doi.org/10.1016/B978-075067328-0/50037-9
- Compressors—Handbooks, manuals, etc. I. Hanlon, Paul C.
