MAQUINAS NEUMATICAS MEC 3332 “A”PRACTICA Nº2

1. PREGUNTA TEORICA:COMPRESOR CENTRÍFUGO

Los compresores centrífugos, también llamados compresores radiales, son un tipo especial de turbo maquinaria que incluye bombas, ventiladores, o compresores.1

Los modelos más primitivos de este tipo de máquina2 eran bombas y ventiladores. Lo que diferencia a estos de los compresores es que el fluido de trabajo puede ser considerado incompresible, permitiendo así un análisis preciso a través de la ecuación de Bernouilli. Por contra, cualquier compresor moderno se mueve a altas velocidades por lo que su análisis debe asumirse un fluido compresible.

Si se le quiere dar una definición, se puede considerar que los compresores centrífugos producen un incremento de densidad mayor que un 5 por ciento. Además, la velocidad relativa del fluido puede alcanzar un número de Mach 0.3 si el fluido de trabajo es aire o nitrógeno. Por otro lado, los ventiladores incrementan mucho menos la densidad y operan a Mach mucho más bajo.

De forma ideal, un compresor dinámico aumenta la presión del fluido a base de comunicarle energía cinética-energía/velocidad con el rotor. Esta energía cinética se transforma en un incremento de presión estática cuando el fluido pasa por un difusor.

Ventajas

Los compresores centrífugos se usan industrialmente por varias razones: tienen menos componentes a fricción, también relativamente eficientes, y proporcionan un caudal mayor que los compresores alternativos (o de desplazamiento positivo) de tamaño similar. El mayor inconveniente es que no llegan a la relación de compresión típica de los compresores

alternativos, a menos que se encadenen varios en serie. Los ventiladores centrífugos son especialmente adecuados para aplicaciones donde se requiere un trabajo continuo, como el caso de sistemas de ventilación, unidades de refrigeración, y otras que requieran mover grandes volúmenes de aire aumentando su presión mínimamente. Por otro lado, una serie de compresores alternativos típicamente llegan a conseguir presiones de salida de 55 a 70 MPa. Un ejemplo de aplicación de compresores centrífugos es la reinyección de gas natural en los pozos de petróleo para su extracción.

Muchos compresores centrífugos se usan también en pequeñas turbinas de gas como APUs (generadores auxiliares) y motores turborreactores de pequeñas aeronaves (turboejes de helicópteros y algunos turbohélices). Una razón significativa de ello es que con la tecnología actual, un compresor axial que opere con estos volúmenes de aire sería menos eficiente por las pérdidas en las tolerancias del rotor y el estátor. Hay muy pocos compresores centrífugos de un sólo escalón capaces de entregar una relación de compresión de 10 a 1, principalmente por las cargas mecánicas que soportan y que limitan su seguridad, fiabilidad y vida del producto.

En el caso específico de los motores para aeronaves mencionados anteriormente, una gran ventaja es la simplicidad de los compresores centrífugos y su precio relativamente bajo. Requiere menos escalones que un compresor axial para conseguir el mismo incremento de presión, ya que el cambio de radio desde la entrada al rotor al borde de salida es tan acusado que la energía del aire aumenta mucho en un corto espacio.

Partes de un compresor centrífugo

Los compresores centrífugos son populares en todas las áreas de la industria porque tienen pocas partes que se desgastan, y son relativamente eficientes con la energía, además de ofrecer un flujo de aire mayor que un compresor centrífugo de un tamaño similar. Aunque su principio de funcionamiento es complejo, son sencillos de operar y la mayoría de las partes de un compresor centrífugo se usan para tratar al salida de aire presurizado o para proveer de fluido refrigerante y aceite al compresor en sí mismo.

Carcaza

Ésta es la cubierta en forma de espiral que rodea a las hojas del impulsor del compresor, y constituye la mayor parte de su masa. La carcasa tiene un orificio circular en el frente a través del cual pasa el aire de entrada, una zona interior en la cual el aire es comprimido, y un puerto de salida por el cual escapa el aire presurizado.

Impulsor

Éste compuesto parecido a un ventilador gira en el interior de la carcasa del compresor. Cuando se aplica potencia en su eje, el impulsor rota (en general se lo conecta a un motor en la mayoría de los casos o a la salida de una turbina en el caso de los turbocompresores), sus hojas curvas empujan el aire y lo hacen girar dentro de la carcasa. El impulsor puede estar hecho de hierro, acero, bronce, aluminio o plástico, dependiendo de la aplicación, y la mayoría son cilíndricos. Las aplicaciones de poco volumen usan impulsores tipo plato con una serie de hojas curvas unidas al plato por detrás.

Alimentación

Los compresores pueden ser alimentados de distintas maneras, pero la mayoría funcionan a través de un motor eléctrico. Algunos son alimentados con un motor de combustión interna, y otros con una correspondiente turbina conectada al impulsor mediante un eje. Las aplicaciones

en las que se usa una turbina como fuente de potencia incluyen los turbocompresores, los motores de aeroplanos y las centrales eléctricas de vapor.

Válvulas de derivación

La mayoría de los compresores tienen algún tipo de válvula de derivación incorporada. En los compresores alimentados con un motor, estas válvulas ventilan aire para prevenir una sobre presión del sistema. Las válvulas pueden tener actuadores eléctricos, pero la mayoría son controladas mediante la presión de un resorte. Los turbocompresores a menudo tienen una ventilación incorporada que permite la salida de gases para derivar el escape de la turbina, controlando su velocidad y mejorando su salida.

Separador de agua

Estos dispositivos varían en su diseño, pero su propósito principal es quitar la humedad del aire comprimido. El agua tiende a condensar en el sistema como resultado de la compresión, lo cual significa esencialmente que el vapor en aerosol se comprime nuevamente a su estado líquido. El agua líquida debe ser removida de un sistema compresor de aire para prevenir la corrosión, las inconsistencias en la presión y el congelamiento de las herramientas cuando se libera la presión. Los separadores de agua funcionan a la inversa del radiador de un auto, proveyendo de un lugar frío para que las gotas de agua condensen antes de que puedan llegar al flujo de aire. Los separadores también pueden colocarse en línea entre el compresor y el motor de alimentación.

Guía técnica de diseño de sistemas con compresores

En un compresor centrífugo, el gas de succión entra el elemento rotatorio, o impulsor, en la dirección axial y se descarga en una dirección radial a velocidad más alta. El cambio en diámetro a través del impulsor incrementa la velocidad del flujo del gas. Esta presión dinámica luego se convierte en presión estática a través de un proceso de difusión, que generalmente comienza dentro del impulsor y acaba en un difusor radial hacia afuera del impulsor.Un compresor centrífugo puede ser un compresor de una etapa, dejando sólo un impulsor, o puede ser un compresor multietapa, dejando dos o más impulsores montados en la misma carcasa. El gas de succión generalmente pasa a través de una serie de álabes guía interior ajustables o una trampilla antes de entrar en el impulsor rotatorio. Los álabes guía (o la trampilla de succión) se usan para controlar el caudal a través del compresor. El gas de alta

velocidad descargando del impulsor entra en un difusor radial, que puede tener o no paletas. Los difusores con paletas típicamente se usan en compresores diseñados para proporcionar ratios de alta presión. Estas paletas son típicamente fijas, pero también pueden ser ajustables. Los difusores ajustables pueden usarse por modulación de capacidad.Los compresores centrífugos son comparativamente máquinas simples con pocas partes móviles y tolerancias de fabricación moderadas. También tienen alta eficiencia y son muy robustas. Si el impulsor del compresor lo permite, la velocidad del compresor puede variarse para controlar el ratio de presión. Los compresores centrífugos tienen un amplio rango de manejo de caudal. A una velocidad dada, el límite superior en el caudal se pone en el difusor o los pasajes del impulsor. El rango de compresores centrífugos en el caudal va de 0,071 m3/s en los turbocargadores de automóviles a 12 m3/s en grandes compresores de procesos industriales. El rango por etapas de ratios de presión es de 6:1 para los compresores de aire, con valores más altos alcanzados en el equipo de investigación. El eje horizontal es proporcional al caudal del volumen de succión y el eje vertical es proporcional a la altura (la altura es el incremento de la entalpía isentálpica del gas fluyendo a través del impulsor). El término altura se expresa en metros o pies incluso para los compresores. La altura es un índice del ratio de presión a través del compresor.En la siguiente figura mostramos el contorno de eficiencia constante, ηLa altura, caudal, eficiencia, y velocidad en punta, u, todas son no dimensionalizadas en la gráfica usando valores de referencia. El valor de referencia en cada caso es el valor de los parámetros en el punto de diseño/rating de la máquina.

La mayoría de los compresores operan sobre un rango de condiciones en sus aplicaciones. El mapa de rendimiento permite al ingeniero determinar si alguno de los requerimientos de la aplicación causará que el compresor opere demasiado cerca de los límites. Si es así, la velocidad puede tener que ser cambiada, puede tener que cambiarse la pre-rotación, o tiene que ser seleccionado un diseño de compresor diferente.Los límites operacionales de los compresores centrífugos pueden tener límites estructurales o por parámetros de caudal. Para gases de peso molecular bajo tales como el aire, la velocidad

del compresor debe quedar dentro de los límites de tensión de los materiales del impulsor. Las velocidades en punta del impulsor comúnmente caen por debajo de 460 m/s. Para gases con pesos moleculares más altos y velocidades acústicas más bajas, la velocidad del compresor está limitada por el caudal compresible en las entradas del difusor e impulsor. Las velocidades en punta del impulsor comúnmente caen bajo un número Mach de la máquina de 1,5. El número Mach aquí definido como la velocidad en punta del impulsor dividido por la velocidad del gas de entrada en el compresor.Los rodamientos en compresores centrífugos son comúnmente accionados por motores eléctricos con cajas de engranaje para acelerar el nivel requerido para el trabajo del compresor. Las turbinas de gas y vapor impulsan también algunos compresores centrífugos. Los motores recíprocos se usan en unas pocas aplicaciones, generalmente con engranajes de incremento de velocidad.La eficiencia de compresores centrífugos pueden ser bastante altos bajo condiciones de aplicación apropiadas. Las eficiencias isentrópicas de 80 a 83 % pueden ser alcanzadas en máquinas de una etapa. Las fuentes de pérdidas que reducen la eficiencia son fricción de caudal (debido a las altas velocidades de gas), pérdidas de separación y mezcla, windage en espacios de holgura, pérdidas de rodamientos, y efectos del flujo del número Mach alto (shocks local y compresibilidad).Los compresores centrífugos continúan siendo la elección dominante para tamaños de refrigeración muy grandes, ej. Aplicaciones por encima de 1500 kW.

Mapa del compresor centrífugo.

Las características de operación de las ruedas compresoras son consignadas en un grafico llamado "Mapa del Compresor". En éste, las curvas de eficiencia forman recintos cerrados parecidos a islotes razón por las que se les llama también islas de eficiencia que pueden tener valores como 0.50 - 0.55 - 0.60 - 0.70, etc. todos los puntos que caen dentro de estas áreas exhiben igual eficiencia. El valor de la eficiencia crece de derecha a izquierda hasta alcanzar un máximo que en el caso de la figura es del 70%.

En el mapa, el flujo de aire "Q" corresponde a condiciones de presión atmosférica a nivel del mar y 20 ºC. Para temperaturas diferentes a esta, el flujo de aire corregido vale:

Flujo de aire corregido = Q / TETA^1/2

TETA = T / 293

Donde: T = temperatura absoluta en ºK del aire a la entrada al turbo.

El flujo de aire para un motor de cuatro carreras puedes calcular con la formula siguiente:

Q = n * Vc * rpm / 2

Donde: Q = Flujo de aire (Lt / min) n = Eficiencia volumétrica Vc = Cilindrada total del motor (Litros) rpm = Revoluciones por minuto del motor

Los mapas no dan directamente una lectura directa de presiones sino mas bien dan la relación entre las presiones absolutas a la entrada y a la salida del turbo (Pt2 / Pt1). Esta relación es independiente de la presión de entrada y permanece constante independientemente de la presión barométrica. De otro modo se necesitaría un mapa para cada presión barométrica.

El punto donde la presión de descarga del compresor y el flujo son inestables se llama "punto

de inestabilidad", punto de ruptura, o limite de bombeo, cualquier termino es válido (en inglés se llama "surge point"). El "límite de bombeo" determina la cantidad mínima de aire que puede soplar la rueda compresora. Mas a la izquierda de este límite, aumentar las rpm de la rueda no consigue aumentar ni el flujo ni la presión por el contrario, el compresor empieza a fallar dando comienzo a una operación inestable e impredecible, razón por la cual debe elegirse una rueda compresora que opere lejos de este límite.

La línea del límite de bombeo es obviamente diferente dependiendo de las ruedas compresoras, las condiciones que producen operación inestable en una no lo hacen en otra aun sin cambiar la pareja turbina-carcaza. Un procedimiento muy práctico y económico para calzar el turbo preciso para una aplicación determinada consiste en probar el automotor con varias ruedas compresoras de diferente perfil y diámetro (trim) hasta conseguir una que se adapte más exactamente a nuestros requerimientos.