Dimensionamiento de compresores elevadores de presión de gas: verificación de casos de operación

El dimensionamiento de un compresor elevador de presión de gas debe adecuar el caudal requerido a las condiciones de entrada, la presión de descarga y el ciclo de operación. Una unidad puede alcanzar la presión deseada, pero suministrar muy poco gas a esa presión. Comience por definir los casos de operación, convierta la base del caudal y luego verifique la curva de desempeño del fabricante para cada caso.

Esta guía verifica las condiciones de operación y el tiempo de llenado; no recomienda un modelo. Para estimar modelos para gas natural, comience con la calculadora de dimensionamiento de compresores elevadores de presión para gas natural.

Defina el servicio del compresor elevador de presión antes de elegir el tamaño

Un compresor elevador de presión es un compresor de gas que aumenta la presión de un suministro de gas existente. El tamaño requerido depende de la cantidad de gas que necesita el proceso y de las condiciones en las que el gas entra y sale de la unidad. Las aplicaciones típicas de suministro continuo y llenado requieren distintas verificaciones de capacidad.

Normalmente, un compresor elevador recibe aire comprimido o gas, en lugar de succionar desde la presión atmosférica. Los gases industriales como el nitrógeno, el hidrógeno y el helio requieren una evaluación propia de la composición del gas y del equipo. No se puede asignar un compresor elevador de aire de alta presión a otro gas solo porque su clasificación de presión parezca adecuada.

Para plantear un caso con tuberías industriales comunes, considere un cabezal central estable con una derivación larga que alimenta el compresor elevador. La presión en la derivación durante una demanda simultánea de producción es la condición de entrada pertinente. Las condiciones de baja demanda en el cabezal pueden ocultar la caída de presión a través del filtro y el regulador.

Defina con el mismo cuidado el límite de descarga. Si el proceso requiere la presión especificada aguas abajo de un posenfriador y una línea de distribución, la unidad debe compensar esas pérdidas al caudal requerido. Para la pureza del nitrógeno, la capacidad del generador y los datos del sistema de almacenamiento, use la guía independiente de dimensionamiento de compresores de nitrógeno; los cálculos siguientes se centran en el compresor elevador.

Exprese la presión y el caudal sobre una misma base coherente

Convierta la presión manométrica en presión absoluta para calcular la relación de compresión. Indique la temperatura y la presión junto con todos los valores de caudal de referencia. Un metro cúbico normal define una cantidad de gas a una condición de referencia especificada. El volumen que ocupa ese gas en la entrada varía según la presión de succión, la temperatura y la compresibilidad.

¿Qué presión se usa en la relación?

Use presiones absolutas para la entrada y la salida del compresor, incluso a baja presión. La presión manométrica indica la presión por encima de la presión atmosférica local. La presión absoluta incluye la presión atmosférica local. La regla es la misma independientemente de la unidad (bar, MPa, psi, etc.) que utilice el instrumento de medición.

La explicación de Ariel sobre el diseño de compresores alternativos utiliza este enfoque de presión absoluta. Para un cálculo real, use la presión atmosférica del lugar; el ejemplo supone 1.01325 bar, sin tratar ese valor como válido a cualquier altitud.

¿Cómo se convierte el caudal de referencia en volumen de entrada?

Para la misma composición del gas y el mismo flujo molar, obtenga la conversión a partir de la ecuación de estado del gas y la conservación de la cantidad de gas.

Use presiones absolutas y temperaturas en kelvin. Z es el factor de compresibilidad del gas en la condición indicada. Esta conversión proporciona el caudal real de entrada; no permite seleccionar el tamaño del cilindro.

Las normas de flujo de gas del NIST determinan la cantidad de gas usando la presión, la temperatura, el volumen y una ecuación de estado. Indique la temperatura y presión de referencia junto con el valor en Nm³/h, SCFM u otra unidad de caudal de referencia.

Al comparar la capacidad de distintos proveedores, convierta SCFM o CFM reales a la misma base de referencia especificada antes de compararlos. De lo contrario, un valor de caudal aparentemente mayor puede representar la misma cantidad de gas a una densidad diferente. Verifique si se especifican la composición del gas y la base del caudal en condiciones húmedas o secas.

Ejemplo de dimensionamiento de un compresor elevador de nitrógeno

Con una succión de 8 barg y a 30°C, un servicio hipotético de 100 Nm³/h requiere un volumen real de entrada de 12.48 m³/h. Este cálculo convierte la demanda de gas; no establece un requisito de desplazamiento del pistón ni una clasificación del equipo. Repita el cálculo a presiones de succión más bajas y más altas para determinar el rango que debe cubrir el modelo propuesto.

Suponga que se suministra nitrógeno a un proceso continuo. Defina el volumen normal a 0°C y 1.01325 bara, la temperatura de entrada en 303.15 K y la presión de descarga en 30 barg. Considere Z_{de entrada}/Z_{de referencia} igual a 1 únicamente para este cálculo didáctico. Para un cálculo de proyecto se deben usar propiedades adecuadas del gas, especialmente cuando aumenta la presión.

La presión normal de entrada es 8 + 1.01325 = 9.01325 bara. Al sustituir los valores se obtiene 100 × (1.01325 ÷ 9.01325) × (303.15 ÷ 273.15) × 1 = 12.48 m³/h. La relación de presión es (30 + 1.01325) ÷ 9.01325 = 3.441.

Verificación de succión en 3 casos

Use las condiciones mínimas, normales y máximas de succión en lugar de un solo punto nominal. Esta tabla calculada también muestra cómo cambia la demanda de volumen de entrada si se reduce a la mitad o se aumenta en la mitad el caudal de referencia requerido. Todas las filas comparten los mismos supuestos básicos de gas ideal, presión de descarga y temperatura.

Una presión de succión más baja reduce la masa de gas admitida por carrera para un volumen desplazado dado. Por lo tanto, para el mismo caudal de referencia aumenta el volumen requerido en la entrada. En un compresor alternativo, también influyen otros factores, como las fugas. El espacio muerto y el comportamiento de las válvulas también afectan la eficiencia volumétrica. Para tenerlos en cuenta, el desplazamiento geométrico del compresor debe superar la capacidad de volumen de entrada por un margen adecuado y específico para el modelo. Por eso, convertir la demanda de gas es solo el punto de partida para seleccionar el equipo desde el punto de vista de la ingeniería mecánica.

La succión mínima puede determinar la relación y la capacidad, mientras que otro punto puede determinar la carga. Las recomendaciones de Ariel sobre el control de capacidad indican que la estrangulación de la succión puede reducir la potencia y afectar la temperatura de descarga y las cargas de la varilla. Una propuesta basada solo en la condición normal de entrada deja los demás casos sin resolver.

Haga coincidir la curva de desempeño con el accionamiento y el servicio

Seleccione un compresor elevador según la capacidad suministrada con el gas requerido, la presión de succión, la presión de descarga y las condiciones de accionamiento. La curva debe cubrir el rango de operación, incluido el funcionamiento continuo o el ciclo previsto. La presión máxima, el volumen desplazado o la potencia nominal del motor por sí solos no determinan cuánto gas suministrará la unidad.

En los compresores elevadores de gas accionados por aire, el suministro de aire de accionamiento es independiente del suministro de gas de proceso. Para los casos descritos, se deben evaluar tanto la presión disponible en la conexión de accionamiento como el consumo sostenido de aire. Elegir un suministro de aire basándose solo en su presión estática ignora la caída de presión que ocurre durante los ciclos del compresor elevador.

1. Confirme la base de la curva: haga coincidir el gas, la temperatura, la referencia del caudal y el modelo o la configuración exactos.
2. Ubique las condiciones de entrada y salida: siga la curva correspondiente a la presión de entrada hasta la presión de descarga requerida.
3. Consulte juntos el caudal suministrado y la demanda de servicios auxiliares: verifique el caudal de aire de accionamiento o la potencia de entrada de la unidad en ese punto.
4. Verifique los demás límites: incluya la temperatura, la compatibilidad con el gas, las clasificaciones de presión de los componentes, el enfriamiento y el ciclo de operación permitido.

El manual en PDF del compresor elevador de gas HII describe sus curvas como estimaciones y relaciona las líneas de consumo de aire con condiciones de accionamiento especificadas. Sus notas sobre las dos etapas también describen una condición de bloqueo entre etapas asociada con la presión de entrada y la fuerza de accionamiento disponible. Ese comportamiento específico del modelo es una razón para verificar toda la envolvente de operación, no para extrapolar el desempeño a partir de una fuente genérica.

Un compresor elevador neumático en condición de bloqueo en la salida no suministra un caudal útil sostenido. Cuando se consume el gas aguas abajo, puede reanudar sus ciclos; sin embargo, la presión y el caudal dependerán de las condiciones del sistema y del compresor elevador. El comportamiento de bloqueo no sustituye la protección contra sobrepresión requerida para la unidad.

Dónde puede quedarse corta la capacidad con una selección que parece correcta

El análisis de la relación de compresión evalúa cómo afecta la relación a la temperatura de descarga y a la potencia. Las limitaciones suelen ser específicas del fabricante. Puede ser necesario recurrir a la compresión en varias etapas y al enfriamiento intermedio. Sin embargo, una relación total fija no determina un número específico de etapas. En el caso del hidrógeno, el comportamiento específico de las válvulas para el gas es otra razón para no aplicar una curva de nitrógeno a otro gas.

Los compresores accionados por aire, hidráulicos y eléctricos se pueden adaptar para realizar funciones específicas. Antes de elegir un compresor por su tipo de accionamiento, considere el punto de operación especificado, la vida útil del ciclo y la demanda de servicios auxiliares. Todo tipo de accionamiento genera calor durante la compresión del gas; es necesario revisar los materiales en contacto con el gas, la limpieza y la compatibilidad con el sitio, especialmente cuando se suministra oxígeno o gases combustibles.

Distinga el suministro continuo del llenado de cilindros

El servicio continuo requiere condiciones de estado estable, en las que el caudal suministrado satisfaga la demanda a la presión de operación. Llenar un tanque de almacenamiento implica agregar un inventario de gas definido mientras cambian las presiones de la fuente y de recepción. Para estimar el tiempo de llenado, considere el caudal disponible en los sucesivos intervalos de presión de recepción y defina explícitamente la trayectoria de temperatura del gas. Considere las condiciones del gas durante el suministro y en el estado final.

Para un tanque receptor de volumen constante, exprese el inventario de gas sobre la misma base de referencia que la curva de suministro:

Calcule el inventario en cada límite, reste el valor anterior y luego sume los tiempos calculados para cada intervalo. Si hay retiros, use la tasa neta de acumulación. Si cae la presión de la fuente, el suministro promedio debe determinarse a partir de los puntos de la curva correspondientes a cada presión variable de la fuente.

Ejemplo con caudal variable

Considere un tanque receptor de 50 L a una temperatura constante de 20°C (Z = 1), sin retiros ni fugas. Use la base de referencia anterior de 0°C/1.01325 bara. Considere tres incrementos iguales de 60 bar entre 20 y 200 bara, y suponga caudales promedio de suministro por intervalo de 12, 8 y 4 Nm³/h. Estos caudales son ilustrativos y no representan una curva de desempeño real.

Cada uno de esos incrementos agrega 0.050 (60/1.01325) (273.15/293.15) = 2.759 Nm³. Al dividir ese valor por cada uno de los caudales supuestos se obtienen los siguientes tiempos de bombeo idealizados.

El tiempo total es de aproximadamente 75.9 minutos. Si se aplica el caudal inicial de 12 Nm³/h a todo el inventario, el resultado sería de unos 41.4 minutos y no tendría en cuenta el tramo final más lento de esta curva supuesta. Los intervalos más pequeños mejoran la aproximación numérica solo si los datos de caudal y estado son adecuados.

La termodinámica del llenado es importante. El llenado real calienta el gas, y la pared del cilindro puede estar a una temperatura distinta de la del gas en su interior. Un estudio del boletín de la OIML sobre el llenado de cilindros industriales considera conjuntamente las incertidumbres de presión, temperatura y compresibilidad. Por lo tanto, el ejemplo isotérmico anterior aísla el cambio del caudal; no predice la duración de un llenado real.

Especifique si el objetivo es alcanzar la presión de cierre en caliente o la cantidad de gas disponible después del enfriamiento. El tiempo de bombeo idealizado del ejemplo no incluye el enfriamiento, la espera ni el tiempo de llenado complementario controlado. En un servicio de aire comprimido, un tanque receptor puede compensar una demanda intermitente y volver a llenarse entre eventos. Sin embargo, no puede compensar una producción sostenida de gas insuficiente. Consulte la guía del DOE sobre almacenamiento de aire comprimido para conocer ese principio; los requisitos de recipientes para gases de proceso, materiales, válvulas de seguridad e instalación deben revisarse según el gas.

Comprenda las consecuencias de costo de las decisiones de dimensionamiento

Compare el consumo de energía con la misma demanda de gas suministrado y los mismos límites de medición. Para una unidad eléctrica, el consumo eléctrico de la unidad, las horas de operación y la tarifa permiten calcular el costo de energía. Para una unidad neumática, incluya la carga que supone producir y acondicionar el aire comprimido aguas arriba. Que el cuerpo del compresor elevador no tenga un motor eléctrico no significa que operarlo sea gratis.

“La potencia eléctrica total de entrada a un compresor”

La definición de CAGI incluye las cargas auxiliares de accionamiento y enfriamiento. Para calcular el costo de facturación, use la potencia de entrada promedio durante el ciclo de operación real, en lugar de la potencia de salida indicada en la placa del motor. La guía de aire comprimido de Natural Resources Canada también muestra por qué el modo de control cambia el consumo de energía a carga parcial.

Para un presupuesto hipotético, supongamos una potencia promedio medida de entrada a la unidad de 12 kW, 2,000 horas de operación al año y una tarifa de energía de $0.12 por kWh. El costo de energía sería de 12 × 2,000 × 0.12 = $2,880 al año. Este ejemplo no incluye cargos por demanda, costos de mantenimiento ni costos de capital. La potencia supuesta no está relacionada con el ejemplo de dimensionamiento de nitrógeno.

El compresor adecuado debe satisfacer el requisito de suministro y el presupuesto de energía. Pida a compras que compare unidades completas de compresores elevadores con el mismo enfriamiento, controles y especificaciones de materiales en contacto con el gas. Finanzas debe comparar el consumo de servicios auxiliares con el mismo programa de operación para determinar qué oferta es más eficiente durante el servicio. Los requisitos de diseño específicos de la aplicación pueden modificar el costo de compra, por lo que ni la presión por sí sola ni un porcentaje universal permiten predecir el precio.

Convierta los cálculos en una hoja de especificación del servicio lista para enviar al proveedor

Envíe los casos de operación y exija una respuesta sobre el caudal suministrado para cada uno. La respuesta útil del proveedor es una selección de desempeño basada en el gas, la demanda de servicios auxiliares y las condiciones limitantes. El nombre de un modelo nominal, una presión de descarga destacada o una guía general de dimensionamiento de compresores no satisface esos requisitos.

Para el servicio de nitrógeno del ejemplo, la solicitud de aprobación podría redactarse así: “Confirme el caudal continuo suministrado sobre la base de volumen normal especificada para cada condición de succión indicada, con la presión de descarga y la temperatura de entrada especificadas. Indique los límites mecánicos, térmicos y de accionamiento que determinan la selección, así como los servicios auxiliares requeridos”. Incluya un análisis completo del gas y de las variaciones permitidas cuando cambie la fuente de gas.

El fabricante debe proporcionar las curvas de desempeño aplicables o el resultado de la selección, un archivo PDF legible, los límites de la unidad y la base de su garantía. Se deben controlar las revisiones con los mismos casos de servicio para verificar que una oferta revisada no haya cambiado la temperatura, la referencia del caudal o los equipos auxiliares incluidos.

Para servicios con gas natural, la calculadora de dimensionamiento de compresores de gas natural existente de PanGeng puede proporcionar una estimación inicial de la serie y las etapas. Use el resultado como punto de partida para verificar este caso de operación con gas natural; el nitrógeno y los demás gases requieren una selección específica para cada gas. Para conocer las opciones de equipos para nitrógeno, consulte la gama de compresores de nitrógeno de PanGeng y envíe los casos de operación para verificar el dimensionamiento.

Preguntas frecuentes

Referencias y fuentes

• NIST: medición del caudal de gas y fundamentos de las ecuaciones de estado
• NIST: conversiones de unidades de presión y caudal de gas
• Boletín de OIML: validación metrológica del llenado de cilindros industriales de gas, 2025
• CAGI: biblioteca de recursos técnicos y glosario sobre aire comprimido
• Natural Resources Canada: guía de referencia sobre energía del aire comprimido
• Departamento de Energía de EE. UU.: almacenamiento de aire comprimido, ficha técnica 9
• Pumps & Systems: por qué importa la relación de compresión
• Pumps & Systems: aspectos para seleccionar y dimensionar un compresor
• Compressortech2: comportamiento de las válvulas en la compresión de hidrógeno

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