El motivo es que, cuando se necesita una presión de trabajo más alta, el uso de un compresor monoescalonado no solo resulta ineficaz, sino que, en ocasiones, resulta incluso imposible. La compresión multiescalonada permite que el gas alcance la presión requerida de forma gradual, aumentando la presión por etapas.
Ahorro en el consumo de energía
Mediante la compresión por etapas, podemos instalar un intercooler entre etapas para enfriar el gas tras la primera etapa de compresión, reduciendo así su temperatura antes de que pase a la siguiente etapa. Al ser la temperatura más baja, resulta más fácil seguir comprimiendo, lo que supone un ahorro de energía en comparación con la compresión en una sola etapa. Cuantas más etapas haya, más se acerca el proceso a la compresión isotérmica y mayor es el ahorro de energía.
Nota: En los compresores de aire de tornillo con inyección de aceite, el proceso de compresión ya es prácticamente isotérmico. Si el enfriamiento continúa más allá del punto de saturación, se formará condensado. Si esta agua entra en el separador de aceite, puede emulsionar el aceite de refrigeración, lo que afecta a la lubricación. A medida que aumenta el condensado, subirá el nivel de aceite, lo que provocará que este entre en el sistema de aire comprimido, lo que puede causar graves problemas.
Para evitar la formación de condensado, la temperatura en la cámara de compresión debe mantenerse por encima del punto de rocío. Por ejemplo, si la presión de escape es de 11 bar (A), el punto de rocío es de 68 °C. Si la temperatura de la cámara desciende por debajo de los 68 °C, se formará condensado, lo que limitará la aplicación de la compresión isotérmica en los compresores con inyección de aceite.
Mejora de la eficiencia volumétrica
Por motivos relacionados con la fabricación, la instalación y el funcionamiento, siempre queda un volumen libre en el cilindro, lo que reduce el volumen efectivo del mismo. El gas a alta presión que queda en este volumen libre debe expandirse hasta alcanzar la presión de admisión antes de que pueda entrar aire nuevo, lo que reduce aún más la eficiencia del cilindro.
Cuanto mayor sea la relación de presión, más se expande el gas residual, lo que reduce el volumen efectivo del cilindro. En casos extremos, es posible que el cilindro no admita aire alguno. Al utilizar una compresión por etapas con relaciones de presión más bajas en cada etapa, el gas residual solo necesita una ligera expansión para alcanzar la presión de admisión, lo que aumenta la eficiencia del cilindro.
Reducción de la temperatura de los gases de escape
A medida que aumenta la relación de presión, también lo hace la temperatura de los gases de escape. Las altas temperaturas de los gases de escape pueden provocar problemas como una menor viscosidad del lubricante, un mayor desgaste y la acumulación de carbonilla, lo que puede dar lugar a posibles explosiones. La compresión por etapas reduce la temperatura de los gases de escape, lo que garantiza un funcionamiento más seguro.
Nota: La compresión por etapas reduce la temperatura de escape y acerca el proceso a la compresión isotérmica, lo que mejora la eficiencia. Sin embargo, en el caso de los compresores de tornillo con inyección de aceite y presiones de descarga inferiores a 13 bar, el aceite de refrigeración ya mantiene el proceso cercano a la isotérmica. Añadir etapas adicionales aumentaría la complejidad, el coste y la pérdida de energía debido al mayor resistencia al flujo de aire, lo que reduciría la eficiencia.
Reducción de la fuerza del gas sobre el vástago del pistón
En los compresores de pistón, cuando se utiliza una relación de compresión elevada en una sola etapa, el gran diámetro del cilindro genera grandes fuerzas de gas sobre el pistón. Al emplear la compresión multietapa, estas fuerzas se reducen, lo que permite un diseño más ligero y una mayor eficiencia mecánica.
Sin embargo, la compresión en varias etapas no siempre es mejor. Un mayor número de etapas aumenta la complejidad, el tamaño, el peso y el coste del compresor, y conlleva una mayor fricción y un mayor riesgo de fallos mecánicos. Por lo tanto, es importante encontrar el equilibrio adecuado para obtener un rendimiento óptimo.