compresor experimental labo iii

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN......................................................................................................................2

FUNDAMENTO TEÓRICO.......................................................................................................3

EQUIPOS UTILIZADOS.........................................................................................................11

PROCEDIMIENTO..................................................................................................................13

CÁLCULOS Y RESULTADOS..............................................................................................16

DIAGRAMA DE SANKEY......................................................................................................25

OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES..............................................................................27

RECOMENDACIONES...........................................................................................................27

Lab. Ing. Mecánica III – Compresor Experimental de Aire UNI - 2013 - I

INTRODUCCIÓN

Los requerimientos de gases a presiones superiores e inferiores a la atmosférica son muy frecuentes en ingeniería. De hecho no es fácil encontrar una rama de la industria en la que haya requerimientos de este tipo. En ingeniería civil y en la minería por ejemplo, las herramientas neumáticas son indispensables por su seguridad, simplicidad y comparativamente bajo peso.

Por otro lado se requieren presiones absolutas bajas en algunos extremadamente bajas en la liofilización y secado por vació, en la fundición al vacío de metales, etc.

El desarrollo de mejores métodos y técnicas más económicas de compresión y expansión de gases requiere el conocimiento de la teoría del proceso y del funcionamiento de las maquinas con las que se efectúa estos cambios de presión.

Los procesos de compresión de gases se efectúan en maquinas denominadas compresores que emplean la energía mecánica entregada en aumentar la presión de un gas.


FUNDAMENTO TEÓRICO

COMPRESOR IDEAL

Los compresores son máquinas que tienen por finalidad aportar una energía a los fluidos compresibles (gases y vapores) sobre los que operan, para hacerlos fluir aumentando al mismo tiempo su presión.

En esta última característica precisamente, se distinguen de las soplantes y ventiladores que manejan grandes cantidades de fluidos compresibles (aire por ejemplo) sin modificar sensiblemente su presión, con funciones similares a las bombas de fluidos incompresibles.

Un compresor admite gas o vapor a una presión P1 dada, descargándolo a una presión P2 superior, Fig IV. La energía necesaria para efectuar este trabajo la proporciona un motor eléctrico o una turbina de vapor.

Campo de utilización.- Los compresores alternativos tienen una amplia gama de volúmenes desplazados en el intervalo, 0 - 1000 m3/h, entrando en competencia con los de paletas, tornillo, etc.

Fig I . – Esquema general de un compresor

http://es.scribd.com/doc/58593391/COMPRESOR-DE-2-ETAPAS


Fig II .- Volumen barrido en un compresor alternativo

Con esto se da por hecho que el pistón se mueve ajustado herméticamente al cilindro, e incluso se considera que el paso del aire hacia y desde el cilindro tiene lugar sin resistencias en válvulas y conductos, es decir, sin cambio de presión. El volumen de desplazamiento de un compresor es el volumen barrido en la unidad de tiempo por la cara o caras del pistón de la primera etapa, Fig II ; en el caso de doble efecto, hay que tener en cuenta el vástago del pistón.

El volumen desplazado VD por un compresor es el volumen de la cilindrada de la máquina multiplicado por el número de revoluciones de la misma. En el caso de ser un compresor de más de una etapa, el volumen engendrado viene indicado por la primera etapa.

El espacio muerto o volumen nocivo V0 corresponde al volumen residual entre el pistón y el fondo del cilindro y las lumbreras de las válvulas, cuando el pistón está en su de acuerdo con el modelo de compresor. Esto provoca un retraso en la aspiración debido a que el aire almacenado en el volumen residual a la presión P2 debe expansionarse hasta la presión P1 antes de permitir la entrada de aire en el cilindro.

Fig III.- Ciclo de trabajo teórico de un compresor ideal, sin pérdidas, con espacio muerto nulo y con un gas perfecto


Sin embargo, su efecto es doble en razón a que si por un lado disminuye el volumen de aspiración, por otro ahorra energía, ya que la expansión produce un efecto motor sobre el pistón; se puede considerar que ambos efectos se compensan bajo el punto de vista energético.

Si el compresor no tuviese espacio muerto, el volumen residual entre el punto muerto superior PMS y las válvulas de aspiración y escape sería 0; esta salvedad se hace en virtud de que la compresión del aire no se puede llevar, por razones físicas, hasta un volumen nulo, existiendo al extremo de la carrera del compresor un espacio muerto, que se corresponde con el menor volumen ocupado por el gas en el proceso de compresión.

Fig IV.- Diagrama de un compresor alternativo ideal

La causa principal de la disminución del volumen de gas efectivamente desplazado por un compresor es el espacio muerto o perjudicial. En el ciclo interno teórico del compresor, Fig IV, al término de la compresión la presión es P2; el vapor comprimido pasa entonces a la línea de escape, recta (2-3), pero en el punto 3, punto muerto superior, queda todavía un volumen V0, espacio muerto.

En la posterior carrera de retroceso (aspiración), este volumen V0 de gas se expansiona hasta el punto 4, presión Pa, y es solamente entonces, al ser alcanzada la presión de la aspiración, cuando comienza la admisión de gas dentro del cilindro.

COMPRESOR REAL


El trabajo y la potencia entregarse a un compresor real son diferentes a los obtenidos a los obtenidos en el compresor ideal, ya que un remanente de gas que queda en el volumen muerto se expande cuando las válvulas están cerradas.

Una observación a la figura siguiente nos indica que el volumen muerto reduce la capacidad del compresor, esta reducción aumenta a medida de que aumenta la relación de compresión.

Además debido a las pérdidas de presión en las válvulas y tuberías la presión del aire durante la succión es menor que la presión del medio de donde es succionado y durante la descarga de presión es mayor que la presión en la tubería de descarga. En la figura siguiente podemos observar un diagrama indicado de un compresor real.

El funcionamiento de un compresor alternativo esta caracterizado por los siguientes parámetros:

1) El porcentaje de volumen muerto, es la relación entre el volumen muerto V o y el volumen de desplazamiento V d

E=V oV d

En compresores de baja presión E [ 2 - 5% ]

En compresores de alta presión E [ 5 - 10% ]

2) Eficiencia volumétrica aparente tomando en cuenta la pérdida de presión en la entrada se obtiene del diagrama indicado (ver última fig)

ηv=V sV d


3) Eficiencia volumétrica, real o total, esta eficiencia difiere de la anterior por los siguientes motivos:

a) El fluido se calienta durante toda la carrera de succión cuando se pone en contacto con las válvulas, paredes de cilindro y pistón.

b) Existen fugas por los anillos de pistón, válvulas y uniones.

En compresores de múltiples etapas la diminución de la eficiencia volumétrica es más acentuada debido a la precipitación de la humedad en los inter enfriadores.

TRABAJO DE COMPRESIÓN

El trabajo de compresión en un sistema cerrado se puede expresar como

Proceso Isotérmico (Gas Ideal)

La ley de los gases ideales relaciona la presión con el volumen molar

Reemplazando:

Esta ecuación nos da el trabajo que se debe realizar para comprimir un mol de un gas ideal desde la presión P1 hasta la presión P2 en un sistema isotérmico.


COMPRESIÓN EN ETAPAS:

El grado de compresión ɛc es el cociente entre la presión absoluta de descarga p2 y la presión absoluta de admisión o entrada p1. Puede tener cualquier valor pero en la práctica, en compresores de una sola etapa no suele pasarse de relaciones de compresión de 3,5-4, ya que relaciones de compresión más altas necesitan un compresor voluminoso que encarece el equipo. Cuando la relación de compresión es muy grande, se aconseja el empleo de compresores de varias etapas escalonadas con o sin refrigeración intermedia, cada una de las cuales tiene una relación de compresión del orden de 3,5-4.

Según sea el nº de etapas, la relación de compresión ɛc en cada etapa es:

ɛc=n√ PmaxPmin

Siendo n el nº de etapas, que permite disponer de una relación de compresión ideal idéntica en cada etapa. En un compresor de dos o más etapas se puede establecer una relación de compresión total, que es la relación entre la presión absoluta final en la descarga de la última etapa y la presión absoluta inicial en la aspiración de la primera etapa.

DIAGRAMA DE UN COMPRESOR DE DOS ETAPAS

En la compresión en etapas, se puede refrigerar el aire entre cada una de ellas mediante un sistema de refrigeración, cuya acción principal es la de dispersar el calor producido durante la compresión.

La refrigeración intermedia perfecta se consigue cuando la temperatura del aire que sale del refrigerador intermedio es igual a la temperatura del aire a la entrada en la aspiración del compresor.

Cuando las relaciones de compresión de todas las etapas sean iguales, se logra un consumo de potencia mínimo.

Si aumentamos el número de etapas, la compresión se acercará a la isoterma del aire inicial, que es la transformación de compresión que requiere menos trabajo.

La compresión en dos o más etapas permite mantener la temperatura de los cilindros de trabajo entre límites razonables; temperaturas anormalmente altas llevan consigo el riesgo de explosiones y carbonización del aceite lubricante y problemas en las válvulas.

Los compresores más usuales en el mercado tienen refrigeración intermedia, y son de dos etapas.

El diagrama indicado en la Fig. corresponde a un compresor de dos etapas, y en ella los diagramas independientes de cada cilindro se consideran como si fueran de un compresor de una etapa.

La superposición de los diagramas de trabajo correspondientes al cilindro de baja presión, que es el que comprime el aire aspirado hasta una presión aproximada de 2 a 3 bar, y al de alta presión, que comprime el aire recibido hasta la presión de trabajo o descarga, indica que la energía que requiere el conjunto de cilindros es muy inferior a la que exigiría si toda la compresión se hubiera realizado de una sola vez.

El área rayada corresponde a un trabajo perdido que se realiza dos veces sobre el aire, en la expulsión del cilindro de baja presión y en la compresión del cilindro de alta presión.


De la observación de la Fig. se deduce que, para compresores de una etapa, o de dos etapas, de simple efecto, pero en la primera fase de compresión, la curva de compresión está siempre comprendida entre la isotérmica y la adiabática, pero aproximándose más a la segunda que a la primera, lo que refleja un proceso politrópico.

Para un compresor de dos etapas, el trabajo teórico efectuado es mínimo cuando los dos cilindros logran idéntica cantidad de trabajo.

Debido a que el cilindro de alta presión tiene que admitir todo el aire entregado por el cilindro de baja presión, la presión del refrigerador intermedio viene fijada por el tamaño de los cilindros.

El trabajo total es, TAP + TBP.

REFRIGERACIÓN


Durante la compresión se engendra calor, y si no se elimina, se eleva la temperatura del aire a medida que se va comprimiendo. En la mayoría de las aplicaciones, la elevación de la temperatura que sufre el fluido al ser comprimido T2 > T1, es perjudicial para su utilización.

Por lo tanto, los compresores se refrigeran para evitar este efecto y reducir el trabajo absorbido por la compresión. Siendo poco práctico que el aire retenga todo su calor, se recurre a eliminarlo a medida que se comprime mediante procedimientos apropiados.

REFRIGERACIÓN INTERMEDIA

Sabemos que para grandes relaciones de compresión hay que acudir a la compresión por etapas. La principal ventaja de este tipo de compresión es que permite una refrigeración del fluido (vapor o gas) entre etapa y etapa, que se traduce en un ahorro de la energía a aportar para mover el compresor, tomando la precaución de no refrigerar en exceso, ya que pudiera ser que el ahorro de energía de compresión fuese inferior al de los gastos de refrigeración.


EQUIPOS UTILIZADOS

DATOS DEL COMPRESOR DE 2 ETAPAS:

COMPRESOR DE BAJA PRESION:

Numero de cilindros………………………………………………………………… 2

Carrera……………………………………………………………………………… 101.6 mm

Diámetro interior…………………………………………………………………… 101.6 mm

Volumen de desplazamiento…………………………………………………….. 1.647 L

Volumen muerto …………………………………………………………………… 29.5cm3

Presión máxima…………………………………………………………………..... 10.3 bar

Rango de velocidades………………………………………………………. 300 – 500 RPM

COMPRESOR DE ALTA PRESION:

Numero de cilindros …………………………………………………………………. 2

Carrera……………………………………………………………………………… 101.6 mm

Diámetro interior……………………….…………………………………………… 76.2 mm

Volumen de desplazamiento…………………………………………………….. 0.463 L

Volumen muerto …………………………………………………………………… 28.2 cm3

Presión máxima………………………………………………………………..... .. 13.8 bar

Rango de velocidades…………………………………………………… 300 – 500 RPM


Termómetros 100 - 150 oC

Planímetro

Indicador de diagrama tipo pistón


PROCEDIMIENTO

1) Encender y luego ajustar los fluidos de agua de refrigeración hasta obtener lecturas comprendidas entre 10 cm y 15 cm en los tubos de Reynolds.

2) Luego encender el compresor de alta presión y baja presión mediante el panel de control del motor eléctrico.

3) Se colocan los termómetros para medir las temperaturas en diferentes puntos.


4) Mediante la manipulación de la válvula de estrangulamiento que se encuentra en el tanque de almacenamiento obtener una presión constante de 8kg/cm2 ,se debe repetir el mismo procedimiento para los diferentes puntos.

5) Esperar que la presión en el tanque de almacenamiento se estabiliza esperando unos minutos, luego tomar los datos requeridos.


6) Colocar el indicador de diagrama tipo pistón en el compresor de baja y alta presión y obtener la gráfica para cada uno de los 4 puntos.

7) Mediante el uso del planímetro medir el área de cada uno de los diagramas en cm2.


CÁLCULOS Y RESULTADOS

Cálculo de los flujos de agua de refrigeración:

La expresión del caudal presenta la siguiente forma:

Compresor Baja Presión:

Compresor Alta Presión:

Inter enfriador:

Post enfriador:

FLUJO DE AGUA DE REFRIGERACIÓN

N°CBP CAP IE PEkg/s kg/s kg/s kg/s

1 0.0015584 0.0015317 0.0015584 0.001448972 0.00156105 0.00153707 0.00157159 0.001457433 0.00156369 0.0015451 0.00157159 0.001448974 0.00156369 0.00156369 0.00157685 0.0014433

Cálculo del flujo de aire:

Donde:

ho: m. de agua

Pa: bar.

Ta: K

mo

1=10.4×H 0. 527

3600 .. . .. .. . .. .. .(Kg /s )

mo

2=8 .3×H0 .545

3600. .. . .. .. . .. .. .(Kg /s )

mo

3=12.4×H 0. 5

3600. .. .. . .. .. . .. .(Kg /s )

mo

4=11.7×H0. 494

3600. . .. .. . .. .. .(Kg /s )

m¿

a=1 .2577×√ PA×h0T A. .. .. . .. .. . .. .(Kg /s )


FLUJO DE MASA DE AIRE

N°ho Patm Ta m

cm H2O bar °C kg/s

1 15 1.014 23 0.02850991

2 13.5 1.014 23 0.02704687

3 21.5 1.014 23 0.0341326

4 23.5 1.014 23 0.03568487

Cálculo de la Potencia Eléctrica suministrada a cada motor:

COMPRESOR BAJA PRESIÓN

N°V I Pelect

Voltios Amperio KW1 210 12 2.522 205 13 2.6653 265 15.5 4.10754 290 16 4.64

COMPRESOR ALTA PRESIÓN

N°V I Pelect

Voltios Amperio KW1 150 10 1.52 160 9.5 1.523 250 10 2.54 275 9.5 2.6125

Cálculo de la Potencia al eje entregada por el motor eléctrico:

PELCBP

=V×I .. .. . .. .. . .. ..(Watt )

PELCAP=V×I .. .. . .. .. . .. ..(Watt )



N°N F Peje

RPM kg KW1 1100 5 1.7972 1100 5.5 1.9773 1350 6.4 2.8244 1500 6.8 3.334


N°N F Peje

RPM kg KW1 1350 3.8 1.6762 1125 3.6 1.3233 1100 3.8 1.3664 1025 3.6 1.206

Cálculo de la Potencia entregada al compresor “PE”:

PEjeCBP=F×N3 .0592

. .. . .. .. . .. .. .(Watt )

PEjeCAP=F×N3 .0592

. .. . .. .. . .. .. .(Watt )

PECBP=0 .98PEM . .. .. . .. .. . .. .(Watt )PECAP=0 .98PEM . .. .. . .. .. . .. .(Watt )



N°Peje PE

KW KW

1 1.797 1.761

2 1.977 1.938

3 2.824 2.767

4 3.334 3.267


N°Peje PEKW KW

1 1.676 1.6432 1.323 1.297

3 1.366 1.3394 1.206 1.182

Cálculo de la Potencia Indicada “Pi”:


N°K L A Pmi N Vd PI

bar/m m m^2 bar RPM m^3/s W

Pi=P×V d¿

. .. .. . .. .. . .. .(Watt )

PCBP=K×AL

. . .. .. . .. .. . ..(bar )

PCAP=K×AL

. . .. .. . .. .. . ..(bar )

KCBP=72PSIPu lg

=195 .44(barm

)

KCAP=180PSIPu lg

=488. 6(barm

)

V d¿

CBP=1 .647×N3.. . .. .. . .. .. . .(m3 /s )

V d¿

CAP=0 . 463×N3. . .. .. . .. .. . ..(m3 /s )


1 195.44 0.0432 0.00032613 1.475 1100 0.06039 891.0052 195.44 0.04013 0.00036211 1.763 1100 0.06039 1065.0073 195.44 0.03849 0.00038603 1.960 1350 0.074115 1452.7554 195.44 0.04037 0.00044431 2.150 1500 0.08235 1771.330


N°K L A Pmi N Vd PI

bar/m m m^2 bar RPM m^3/s W1 488.6 0.04472 0.00030812 3.366 1350 0.020835 701.3892 488.6 0.04446 0.0003024 3.323 1125 0.0173625 577.0053 488.6 0.04489 0.00031435 3.421 1100 0.01697667 580.8504 488.6 0.04548 0.00032821 3.525 1025 0.01581917 557.780

Cálculo de los Calores absorbidos por el agua de refrigeración:

CeH2O = 4.18 KJ/kg.°C

TEMPERATURA DE AGUA DE REFRIGERACIÓN

CALOR ABSORBIDO POR EL AGUA DE REFRIGERACIÓN

Q¿

CBP=Q1×4 .18×(T 1−T A ). .. . .. .. . .. .. .(Kw )

Q¿

CAP=Q2×4 .18×(T 3−T A ). . .. .. . .. .. . ..(Kw )

Q¿

IE=Q3×4 .18×(T 2−T A ). .. .. . .. .. . .. .(Kw )

Q¿

PE=Q4×4 .18×(T 4−T A ). .. . .. .. . .. .. .(Kw)

∑Q¿

TotalAbsorbido=Q¿

CBP+Q¿

CAP+Q¿

IE+Q¿

PE . .. . .. .. . .. .. .(Kw )


N°Tla T1a T2a T3a T4a QCBP QCAP QIE QPE QTOTAL

°C °C °C °C °C KW KW KW KW KW

1 23 34 22 31 30 0.0716 0.0512 -0.0065 0.0423 0.1587

2 23 36 22.5 30 30 0.0848 0.0449 -0.0032 0.0426 0.1691

3 23 39 23 30 32 0.1045 0.0452 0 0.0545 0.2042

4 23 49 26 30 31 0.1699 0.0457 0.0197 0.0482 0.2837

Cálculo de la Energía aprovechable:

Cp = 1.0035 KJ/kg.K

N°m T1 T5 ∆H

kg/s °C °C KW1 0.0285 24 28 0.11442 0.0270 23 31 0.21713 0.0341 24 34 0.34254 0.0356 24 36 0.4297

Cálculo de Perdida de Calor por Radiación y Convección:

N°PE CAP PE CBP Q REFRIG

TOTAL ∆H Q Rad- Conv

KW KW KW KW KW1 1.6433 1.7618 0.1587 0.1144 3.13202 1.2973 1.9380 0.1691 0.2171 2.84913 1.3390 2.7677 0.2042 0.3425 3.56004 1.1820 3.2675 0.2837 0.4297 3.7361

Cálculo de la Eficiencia Mecánica:

H¿

5−H¿

1=m¿

C p (T 5−T 1) .. . .. .. . .. .. . ..(Kw )

H¿

5−H¿

1=∑ Potentregada−∑ Q¿

refrig .−Q¿

rad . y .conv . .. . .. .. .(Kw )

ηmCBP=PICBPPECBP

×100. . .. .. . .(% )

ηmCAP=PICAPPECAP

×100. . .. .. . .(% )


COMPESOR BAJA PRESIÓN

N°PI PE 𝝶mW KW %

1 891.005 1.761 50.570

2 1065.007 1.938 54.951

3 1452.755 2.767 52.488

4 1771.330 3.267 54.210

COMPESOR ALTA PRESIÓN

N°PI PE 𝝶mW KW %

1 701.389 1.643 42.679

2 577.005 1.297 44.474

3 580.850 1.339 43.378

4 557.780 1.182 47.186

Cálculo de la Eficiencia Volumétrica:

Eficiencia Volumétrica Aparente:

Eficiencia Volumétrica Real:

ηVCBP=1−[(P2P1 )1n−1]∗Ε

ηVCAP=1−[(P2P1 )1n−1]∗Ε

mo=ρ∗ν

o

d=( pR∗T )∗ν

o

d


Donde:

n = 1.25

ECBP = 0.02

ECAP = 0.06

R = 287 J/kg.K


N°𝝶vAPARENTE 𝝶vREAL

% %

1 99.055 39.551

2 98.397 37.522

3 97.645 38.583

4 96.807 36.304


N°𝝶vAPARENTE 𝝶vREAL

% %

1 85.063 70.645

2 88.982 62.560

3 91.984 63.862

4 94.290 58.453

Cálculo de la Potencia Isotérmica y la Eficiencia Isotérmica:

ηvr=ma0

m0 x 100

WT

0=P1∗V

0

1∗Ln(P2P1 )



N°WT PI 𝝶TKW W %

1 0.705 891.005 79.124

2 1.005 1065.007 94.365

3 1.289 1452.755 88.728

4 1.697 1771.330 95.803


N°WT PI 𝝶TKW W %

1 0.501 701.389 71.429

2 0.426 577.005 73.829

3 0.436 580.850 75.062

4 0.424 557.780 76.019

DIAGRAMA DE SANKEYPunto N°1

ηT=W T

0

PEx100


𝝶SISTEMA = 4%

Punto N°2

𝝶SISTEMA = 7%

Punto N°3

PETOTAL = 3.4051 KW

P = 3.2464 K W

Pa = 0.1144 KW∆ PREFRIG=0.1587KW

∆ PCONV−RAD = 3.132 KW

PETOTAL = 3.2353 KW

P = 3.0662 KW




𝝶SISTEMA = 9%

Punto N°4

𝝶SISTEMA = 10%

OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES

PETOTAL = 4.1067 KW

P = 3.9025 KW



PETOTAL = 4.449 KW

P = 4.1658 KW




Validamos el uso de la compresión por etapas con refrigeración intermedia para minimizar el trabajo de compresión.

De los resultados afirmamos que el mínimo trabajo de compresión se da en el punto N°2 para un P2 = 2.2 kg/cm2.

La mayor energía aprovechable y también la mayor eficiencia del sistema se da en el punto N°4 para un P2 = 3.5 kg/cm2.

El 5% (aproximadamente) de la potencia entregada al compresor de baja y alta presión es absorbida por el agua de refrigeración.

El 86% (aproximadamente) de la potencia entregada al compresor de baja y alta presión es dispersada como calor de radiación y convección.

El punto N°4 para el compresor de baja y alta presión presentan una mayor eficiencia isotérmica.

RECOMENDACIONES

Para el compresor de 2 etapas se recomienda tomar lecturas de los instrumentos rápidamente después de los 3 minutos de estabilización ya que las lecturas tienden a cambiar.

En el uso del planímetro se debe ser bastante preciso para obtener el área del diagrama lo más exacto posible.

Se recomienda tomar la lectura del dinamómetro luego de un tiempo prudencial, para estabilizar condiciones.

Drenar el condensado del inter Enfriador, post enfriador y tanque de almacenamiento.

Se recomienda para el cálculo el área del grafico P-V del indicador de diagrama el uso de Autocad para mayor precisión.

compresor experimental labo iii

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