COMPRESOR RECIPROCO

1. COMPRESORES DE GAS NATURAL
Duran Porras, Juan Carlos (Docente, asesor)
Gonzalez Lopinta, Roller Andres.
Universidad Privada del Norte (UPN-LIMA), Escuela de Ingenieria Industrial
RESUMEN
Se desea proporcionar información útil acerca de los compresores de gas natural comprimido (GNC), y
evaluando las aplicaciones que se tiene en el diseño de fabricación según la demanda, hoy en día es muy
importante conocer sobre estos temas ya que en el País cada vez incrementa más la producción y consumo
de gas natural vehicular lo que demanda personal capacitado y calificado para el mantenimiento, diseño y
fabricación de estas máquinas.
Para entender y asociarnos más a este tema señalaremos algunas leyes de la termodinámica como
conceptos básicos, asi como también ver el avance y respuesta de la ciencia electrónica a las necesidades
de la mecánica y simultáneamente optimizar el funcionamiento de un equipo de gas natural comprimido.
INTRODUCCION
Los compresores utilizados en las plantas de la industria de procesos y compresión
para gas natural vehicular suelen ser precisos y costosos. Por ellos, su selección,
operación y mantenimiento deben ser cuidadosos.
A continuación se presentan tipos de compresores según su aplicación, cálculos de
rendimiento de potencia, entre otros, con el fin de proporcionar información que
permita el entendimiento de la estructura y características de funcionamiento de los
compresores en su parte mecánica.

2. TIPOS DE COMPRESORES
Por lo general, en la industria de hoy se usa los compresores reciprocantes para el manejo
de fluido de gas en altas presiones.
COMPRESOR RECIPROCANTE.
Los compresores se utilizan para aumentar la presión de un gas de proceso, con el
fin de que la unidad en un sistema de tuberías a una planta de procesamiento en
tierra, para ser usados en la producción así como la elevación de gas, para volver a
inyectar gas para el mantenimiento de la presión del yacimiento y para su uso como
un gas combustible.
Compresores de pistón se utilizan para la alta presión / aplicaciones de flujo bajo,
donde los compresores de tornillo y centrífugos no puede cumplir con el deber.
Los materiales de construcción deben ser mecánicamente capaz, y es compatible
con los fluidos de proceso previstos durante toda la vida de campo.
Los principales riesgos se relacionan con el inventario de gases inflamables que
pueden ser liberados si hay una falla en el equipo.

3. Evaluación de los riesgos deben estar relacionados con el paquete completo y no
sólo del propio compresor.
Hay un riesgo de daño de un fallo mecánico, piezas pesadas se puede expulsar a una
velocidad moderada.
Las cuatro etapas de compresión.
• Admision
• Compresión
• Expansion
• Descarga
Conceptos básicos.
1.- 1ra Ley de la Termodinámica.
Cada vez que una cantidad de un tipo de energía desaparece, un total equivalente exacto de
otros tipos de energía debe producirse.
2.- 2da Ley de la Termodinámica.
La energía existe en varios niveles y se encuentra disponible para emplearse solo si puede
moverse de un nivel alto a otro más bajo.
3.- Ley de los gases ideales.
Ley de Boyle, Ley de Charles, Ley de Amonton, Ley de Dalton, Ley de Amagat, Ley de
Avogadro, La Fórmula del gas perfecto.
4.- Presión de Vapor.

4. Es la única presión a la cual un líquido puro y su vapor coexisten.
5.- Presiones Parciales.
Para la determinación de los volúmenes o pesos de las mezclas que se manejaran en la
aspiración de cada etapa de compresión.
6.- Relación de calores específicos k.
Relación entre el calor especifico a un volumen constante y el calor especifico a una
presión constante.
K =
𝑀𝐶𝑝
𝑀𝐶𝑣
=
MCp
MCp−1.99
7.- Ciclos de compresión.
La compresión isotérmica. La compresión andiabatica
P1V1= P2V2 = Cte. P1𝑉1 𝑘
= P2𝑉2 𝑘
= Cte.
8.- Requisito de potencia real.
Se relaciona con un ciclo teórico mediante la eficiencia de compresión, relación de los HP
teóricos del gas sobre los reales y no incluye las perdidas por fricción mecánica.
CALCULOS DE RENDIMIENTOS
Para un proceso de compresión, el cambio de la entalpía es la mejor manera de evaluar el
trabajo de compresión.
La única diferencia en la evaluación de la potencia entre compresores reciprocantes o
centrífugos es la eficiencia de la máquina. Aparte de eso las ecuaciones termodinámicas
básicas son las mismas para toda compresión.
Los cálculos termodinámicos para compresión pueden ser llevadas a cabo asumiendo:
𝑃𝑉 𝑛
= 𝑐𝑡𝑒
Camino reversible isoentrópico.
Camino reversible politrópico.
La mayoría de las máquinas tienden a operar a
lo largo de un camino politrópico que se acerca
al isoentrópico. La mayoría de los cálculos del

5. compresor están basados por eso, en una eficiencia aplicada para tener en cuenta el
comportamiento real.
Para calcular k de un gas es necesario conocer únicamente la capacidad calorífica molar a
presión constante (MCp) para el gas.

La capacidad calorífica varía considerablemente con la temperatura. Ya que la temperatura
del gas incrementa cuando pasa de succión a descarga en el compresor, k es determinada
normalmente del promedio de las temperaturas de succión y descarga.
Capacidad calorifica molarMCp ( Estado de gas ideal).

6. Para un gas multi-componente, el valor promedio del peso de la mol debe ser determinado a
la temperatura promedia del cilindro.
Si solamente el peso molecular del gas es
conocido y no su composición, un valor
aproximado para k puede ser determinado
desde las siguientes curvas.

7. Estimacion de los caballos de fuerza del compresor.
Potencial del freno = 22 (
relacion
etapa
)(#etapas)(MMpcd)(F)
Donde F:
1.0 para compresion de una etapa
1.08 para compresion de 2 etapas.
1.01 para compresion de 3 etapas.
Fue desarrollada para compresores:
Grandes de baja velocidad (300 a 400 rpm).
Que manipulan gases con una gravedad específica de 0.65.
Que tienen relaciones de etapas de compresión por encima de 2.5
Para compresores de alta velocidad (de 1000 rpm, y algunos hasta 1800 rpm) el
requerimiento de potencia puede ser de un 20% más.
Ejemplo:
Comprimir 2 MMpcd de gas a 14.4 psia y temperatura de entrada a través de una relación
de compresión de 9 en un compresor de 2 etapas. ¿Cuál será la potencia?
Solución 1.
1.Para aplicar la ecuación se debe calcular la relación de compresión por etapa rs.
Rs = √ 𝑟𝑡
𝑠
= √9 = 3
2. Se halla la potencia del freno.
(22) (3) (2) (1.08) = 285 Bhp

8. Solución 2.
Usando una k de 1.15, hallamos el requerimiento de potencia para una relación de
compresión global de 9 y de la misma manera, para una k de 1.4.
Usando una k de 1.15, el requerimiento de potencia para que sea 136 Bhp/MMcfd o 272
Bhp.
Para una k de 1.4, el requerimiento de energía debería ser de 147 Bhp/MMcfd o 294 de
potencial total.

9. CALCULOS DETALLADOS.
Capacidad
Está expresada como la cantidad volumétrica actual de gas en la entrada de cada etapa de
compresión sobre una base por minuto (ICFM).
EJEMPLO DE SELECCIÓN DE TIPO DE COMPRESOR.

10. DESPLAZAMIENTO DEL PISTON
Para un pistón de efecto simple comprimiendo solo en el extremo exterior.
Para un pistón de efecto simple comprimiendo únicamente sobre el final de la manivela.
Donde:
o Stroke (Distancia del movimiento del pistón): pulg.
o N (Velocidad): rpm.
o D (Diámetro interno del cilindro): pulg.
o d (Diámetro del vástago del pistón):pulg.
VOLUMEN DE ACLARAMIENTO.
Es el espacio entre el final del pistón y la cabeza del cilindro cuando el pistón está en el
final de su stroke. Este espacio incluye el volumen en los puertos de la válvula, el volumen
en las guardias de las válvulas de succión, y el volumen alrededor de los asientos de las
válvulas de descarga.

11. EFICIENCIA VOLUMETRICA.
El efecto del gas contenido en el volumen de espacio libre sobre la capacidad de la bomba
de un cilindro puede ser representado por:
Las eficiencias volumétricas como las determinadas por la Ecuación anterior son teóricas
en la que no tienen en cuenta las pérdidas en la válvula de succión y descarga.

12. Capacidad Equivalente
La capacidad neta para un compresor, en pies cúbicos por día 14.4 psia y temperatura de
succión, puede ser calculada:
Puede simplificarse cuando Z14.4 se asuma igual a 1.
Si el contrato de venta del gas o regulación especifica alguna otra medida estándar para el
volumen del gas, se convierten los volúmenes calculados usando la ecuación anterior (a
14.4 psia y temperatura de succión) a una base PL y TL:
TEMPERATURA DE DESCARGA
 Temperaturas están en unidades absolutas, °R o °K
 Es un valor teórico.
 No considera el calor de la fricción, efectos irreversibles, etc.
 Puede ser algo baja.

13.  Pero, los valores obtenidos de esta ecuación serán estimaciones de campo
razonables.
CARGA DEL VASTAGO.
La capacidad de carga de un armazón de compresor involucra dos consideraciones
primordiales: potencia y carga del vástago.
cigüeñal, biela, armazón, vástago del pistón, perno y superficies de apoyo proyectadas
CALCULO DETALLADO DE LA POTENCIA.
Un cálculo más detallado de los requerimientos de energía de un compresor reciprocante
puede ser llevado a cabo usando la siguiente ecuación.

14. Dónde:
 BHP= Potencia del freno
 Zd= factor de compresibilidad de descarga
 E= eficiencia total Unidades del reciprocante de alta velocidad: 0.82 Unidades del
reciprocante de baja velocidad: 0.85
 K= relación de calores específico, Cp/Cv
 PS= presión de succión, psia
 Pd= presión de descarga, psia
 PL= presión estándar, psia
 TL= temperatura estándar, °R
 Qg= tasa del flujo de gas, MMSCFD
 Zprom= (ZS+Zd)/2
 ZS= factor de compresibilidad de succión.
La potencia total para el compresor es la suma de la potencia requerida por cada una de las
etapas que son utilizadas. Para máquinas varias etapas un ajuste debe ser hecho por las
caídas de presión entre etapas asociadas con tubería, enfriador, separador (scrubber), etc.,
típicamente 5-10 psi.
EJEMPLO:
Comprimir 2 MMpcd de gas medido a 14.65 psia y 60°F. La presión de entrada es 100 psia,
y a temperatura de entrada (consumo) es 100°F. La presión de descarga es 900 psia. El gas
tiene una gravedad específica de 0.8 (23 PM). ¿Cuál es la potencia requerida, asumiendo un
compresor de alta velocidad?
Solucion:
Se calcula la relación de compresión total o general
Rt = Pdfinal / Ps  900/100 = 9.
Este sería un compresor de 2 etapas, por lo tanto, la relación por etapa.
√9 = 3

15. Multiplicando r por la presión de succión absoluta de la etapa que es considerada dará la
presión de descarga de la etapa.
100 psia * 3 = 300psia (presión de descarga de la 1era etapa)
300 psia = 295 psia (succión para la 2da etapa)
Donde los 5 psia representa la caída de presión entre la descarga de la primera etapa y la
succión de la segunda etapa.
RELACION DE COMPRESION PARA LA SEGUNDA ETAPA:
900/295 = 3.05
Calcularla potencia requerida para la etapa.
Un gas con gravedad específica de 0.8 a 150°F tendría una k aproximada de 1.21. Para la
mayoría de las aplicaciones de compresión, la curva de 150°F será adecuada. Esto debe ser
revisado después determinando la temperatura promedio del cilindro
Determinar la temperatura de descarga para la primera etapa.
Para una relación de compresión de 3, temperatura de descarga= 220°F aproximadamente.
Temperatura promedio del cilindro=160°F.
La temperatura de descarga para la segunda etapa (con r= 3.05 y suponiendo enfriamiento
entre etapas a 120°F) aproximadamente igual a 244°F. la temperatura promedio del
cilindro=182°F
De la sección de propiedades
(GPSA Cap. 23), estimar los factores de compresibilidad a la presión y temperatura de
descarga y succion para cada etapa.
 Primera etapa:
Zs = 0,98.
Zd = 0,97.
Zavg = 0,975.

16.  Segunda etapa:
Zs = 0,94.
Zd = 0,92.
Zavg = 0,93.
Solucion:
Calcular la potencia requerida para la primera y segunda etapa, a partir de la ecuación:
DISEÑO DEL CILINDRO:
Dependiendo del tamaño de la máquina y del número de etapas, los compresores
reciprocantes están equipados con cilindros acondicionados ya sea:

17. Fuente:http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica22.htm
Límites de presión de descarga generalmente usados en la industria del gas para la
selección del material del cilindro.
La norma API estándar 618 recomienda 1000 psig como la presión máxima tanto para el
hierro fundido, como para el hierro nodular.

18. CONCLUSIONES:

El compresor reciprocante (de pistón o de émbolo) es una de los más usados a nivel
industrial, por ser el más versátil y eficaz, especialmente cuando se requieren presiones
elevadas.
Hay dos especificaciones del API para compresores reciprocantes. La Especificación API
618 es para servicios generales de Refinería, y la Especificación 11P es para compresores
de gas del campo.
Datos de contacto:
1. Durand Porras, Juan
Carlos [Docente Asesor]
Universidad Privada del Norte –Lima jdu@upnorte.edu.pe
2. Gonzalez Lopinta,Roller Roller_xp@hotmail.com