Un cuento de caballeros sobre compresores y un toque de estequiometría.

Hace unas semanas, estaba tratando de ilustrar cómo los compresores centrífugos realmente aumentan la presión de un gas al acelerarlo y luego desacelerarlo a través de su impulsor y difusor.

Fue extremadamente difícil encontrar una manera de visualizar lo que sucede dentro del difusor de un compresor y correlacionarlo con ese intercambio de velocidad y presión.

Y agradezco a todos mis amigos que trataron de ayudar y animarme a encontrar mejores formas de describir las cosas. Esto me hace apreciar aún más la ingeniería y la ciencia: el hecho de que todavía hay principios en la naturaleza que no podemos ver completamente, ni siquiera con el ojo de nuestra mente; y debemos confiar en ecuaciones y principios teóricos para describirlos.

Luego, unos días después, recordé haber leído una gran descripción y comparación no solo de cómo funcionan los compresores centrífugos, sino también los compresores de flujo axial.

Si aman la ingeniería, si aman los aviones, si aman las turbinas o los motores, si aprecian la historia y admiran a las personas que tienen vidas curiosas y aventureras, entonces deberían leer el libro Not Much of an Engineer (No Soy Gran Cosa Como Ingeniero), la autobiografía de Sir Stanley Hooker.

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En este libro aprenderán sobre la vida de este matemático quien, guiado por su curiosidad, prácticamente por sí solo tomó el motor Rolls Royce Merlin que se usaba en varios aviones de la Segunda Guerra Mundial, lo afinó y triplicó su potencia.Luego en su carrera, continuó realizando otras grandes hazañas en el mundo de las turbinas a gas.

El Señor Hooker, era amigo de los tipos que inventaron y produjeron la primera turbina de gas.

¡Sí, era compañero de bebidas de otro Caballero, Frank Whittle!

¡Sí! EL Frank Whittle, el padre del Motor Whittle, el primer motor turborreactor práctico que entró en producción para impulsar aviones.

En fin, todo esto es algo que nos hace explotar la mente. Y mientras los diseñadores de jets estaban inventando turbinas de gas, simultáneamente estaban tratando de descifrar qué tipo de compresor les permitiría aprovechar la mayor cantidad de energía de la combustión del gas para producir la mayor potencia y empuje. Estaban experimentando tanto con compresores radiales (también conocidos como compresores centrífugos) como con compresores de flujo axial.

Esto nos lleva de vuelta a la explicación en el libro de Sir Stanley, Capítulo 5 que se titula "Axiales". Aquí Sir Stanley explica en pocas pero elegantes y precisas palabras cómo funcionan los compresores, junto con conceptos más complejos como la oscilación del compresor, la pérdida aerodinámica, e incluso las vibraciones resonantes que afectan a las paletas del compresor axial.

Sir Stanley básicamente dice, y lo parafraseo en inglés no caballeresco:

La compresión es como barrer o empujar agua por una rampa inclinada con una escoba.

Imaginen barrer agua por una rampa con una escoba.

¡Tomen la escoba e intenten empujar tanta agua como puedan, a través de toda la rampa, todo en un solo barrido! Así es como funcionan los compresores centrífugos. En una "Etapa" pueden "empujar" un gas y lograr la compresión deseada del gas.

Ahora imaginen tener varios cepillos o brochas pequeñas, y en lugar de hacer un gran movimiento de barrido, toman estos pequeños cepillos y en movimientos pequeños pero rápidos y sucesivos, empujan el agua por la rampa. Así es como funcionan los compresores de flujo axial.

Los compresores de flujo axial están compuestos de múltiples etapas o filas de álabes estáticos (que no rotan) y alabes rotatorios. Cada uno consecutivamente empuja/acelera el gas y a través del principio de compresión dinámica, aumenta la presión del gas, etapa por etapa.

(Hay tanto más en este libro que solo puedo insistir en que si son ingenieros y tienen que trabajar o estudiar turbinas de gas o compresores, realmente deberían leer este libro.)

Me encanta esta explicación porque ayuda a distinguir entre los compresores centrífugos y los de flujo axial.

Los impulsores de compresores centrífugos tienen la capacidad de lograr aumentos de presión (o lo que llamamos una relación de presión) más altos que una sola etapa de compresor de flujo axial.

Sin embargo, las etapas del compresor de flujo axial pueden lograr flujos másicos más altos que una etapa centrífuga.

Es por esto que cada diseño tiene sus beneficios dependiendo de la aplicación.

Hoy en día en los procesos petroquímicos, las altas relaciones de presión son deseables porque permiten que las reacciones químicas ocurran más eficientemente. Entonces, si estamos rompiendo moléculas o sintetizando otras, la alta presión es tu amiga.

Por otro lado, en las turbinas de gas para generación de energía, lo que más queremos de sus compresores son altos volúmenes de aire para realizar combustiones pobres o magras. Cuando un motor funciona pobre, significa que tiene exceso de aire. Si un motor funciona rico, tiene exceso de combustible.

Hay una relación muy especial entre cuánto aire y combustible deberían mezclarse para lograr una combustión completa ideal. Esto se llama la Relación Estequiométrica.

Como queremos ser buenos con el medio ambiente, queremos asegurarnos de que los motores de turbina de gas funcionen pobres, así hay exceso de aire para promover tanta combustión del combustible como sea posible. Esta es una manera de reducir emisiones.

Un dato interesante: el término Estequiométrico no es el apellido de alguien. Tiene raíces griegas, y es la combinación de dos términos:

"Stoicheion" (στοιχεῖον) que significa "elemento" o "fundamental"

"Metron" (μέτρον) que significa "medida"

Fue acuñado en 1792 por un señor alemán llamado Jeremias Benjamin Richter quien tenía una pasión y buen ojo para balancear reacciones químicas. Si estudiaron química en la escuela, seguramente tuvieron que balancear reacciones químicas como si fueran ecuaciones matemáticas o lo que yo llamo matemáticas mágicas por que no siempre 2+2 es igual a 4. ¡Bueno, este es el tipo al que le debemos eso!

Volviendo a los compresores. Quiero dejarles una comparación básica lado a lado de estos dos compresores utilizados tanto en aplicaciones industriales como aeroespaciales.

Cuando miramos comparaciones lado a lado, debemos tener en cuenta que debemos crear rangos o hablar de aplicaciones o características típicas o generales. Siempre habrá algunos casos o aplicaciones muy específicas que pueden no ajustarse a una comparación general.

Otra forma útil de comparar las cualidades de estos diferentes tipos de compresores es mirando un gráfico que representa la relación de presión vs. el flujo.

Pueden buscar estos en internet y encontrarán docenas de gráficos. Una referencia prominente viene un libro llamado Centrifugal Compressors: A Basic Guide (Compresores Centrífugos: Una Guía Básica) del Dr. Boyce.

Una segunda referencia es el Gas Processors Suppliers Association: Engineering Data Book (Libro de Datos de Ingeniería de la Asociación de Proveedores de Procesadores de Gas).

Recomiendo conseguir una copia del libro del Dr. Boyce si entender los compresores es parte de sus vidas.

Estos gráficos representarán el Flujo en el eje X y la Relación de Presión en el eje Y.

Voy a sanitizar y a no-dimenzionalizar mi versión de este gráfico, para no tener problemas de derechos de autor.

Lo que quiero que vean es que nada supera a un pistón reciprocante cuando se trata de lograr altas relaciones de presión.

Los compresores de flujo axial están construidos para el flujo y requieren varias etapas de álabes para realizar su trabajo. Para darles algo de perspectiva, una turbina de gas industrial pesada puede tener entre 15 o 17 etapas de compresión de flujo axial resultando en una relación de presión de 16:1 o 18:1.

En contraste, los compresores centrífugos son muy versátiles y dominan el centro de ese gráfico. Haciéndolos ideales para el procesamiento químico.

Finalmente, los compresores de tornillo, que aún no he presentado, pero a menudo describo estos como moledoras de carne para "aire" también ocupan un lugar importante en la gráfica. Espero explicar cómo funcionan estos uno de estos días.