FUNDAMENTO TEORICO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA COMPRESOR EXPERIMENTAL DE AIRE DE DOS ESTAPAS

COMPRESOR EXPERIMENTAL DE AIRE DE DOS ETAPAS

INTRODUCCION:

El aire comprimido aumenta grandemente la producción en los más importantes campos industriales, tales como la minería, metalurgia, ingeniería civil y arquitectura, en todas las ramas de la construcción de maquinaria, en las industrias del cemento, vidrio y químico.

El desarrollo de métodos económicos para comprimir el aire u otros gases requiere de un conocimiento de la teoría, diseño y operación de maquinas que compriman estos gases.

En la presente experiencia tendremos la oportunidad de aplicar los conocimientos teóricos aprendidos en los cursos de Termodinámica sobre la compresión del aire.

FUNDAMENTO TEÓRICO:

Un compresor de desplazamiento positivo es una maquina donde se obtiene un aumento en la presión estática cuando se succiona sucesivamente un cierto volumen de aire dentro de un espacio cerrado y luego se le expulsa, todo esto ocurre por el desplazamiento de un elemento móvil dentro del espacio cerrado.

La compresión de aire u otros gases mediante compresores alternativos (compresores de desplazamiento positivo) se puede considerar como un proceso de flujo y estado estable (FEES).

La primera ley de la Termodinámica aplicada a un FEES es:

hs−hi=W−qKJkg

(1)

Donde:

hi=entalp í adel aire que ingresa al sistema .

hs=entalp í adel aireque sale del sistema .

W=trabajodel eje o indicadorealizado sobreel sist ema .

q=pé rdida decalor del sistema .

La ecuación (1) aplicada a los dos compresores es:

h5−h1=W 1+W 2−q1−q2−q3−q4−qKJkg

Además: h5−h1=C p (T5−T 1 )

LABOARTORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA 1

h2 h3 h4 h5

q1 q2 q q3 q4

W1 W2


Para el aire podemos considerar C p=1.0035KJ

kg . K

Donde:

h1=entalpíadel aire a laentradade la primera etapa .

h2=entalpíadel aire a la salidade la primera etapa.

h3=entalpíadel aire a laentradade la segunda etapa.

h4=entalpía del aire ala salidade lasegunda etapa.

h5=entalpíadel aire a la salidadel past enfriador .

W 1=trabajoespecífico entregado a la primeraetapa .

W 2=trabajoespecíficoentregado a lasegunda etapa.

q1=c alor entregado al aguaderefrigeración de la primera etapa.

q2=calor entregadoal aguade refrigeracióndel interenfriador .

q3=calor entregadoal aguade refrigeraciónde lasegunda etapa.

q4=calor entregado al aguaderefrigeración de l pastenfriador .

q=pérdidasde calor por convección y radiación .

Observar de que podemos tomas W 1 W 2 como el trabaja entregado al compresor o como

el trabajo indicado en el cilindro del compresor. En el primer caso incluimos las pérdidas mecánicas del compresor, en el segundo las excluimos; estas pérdidas aparecen como calores parcialmente en la camiseta de agua y parcialmente al medio ambiente.


CBP IE CAP PEh1


Esquema simplificado de la instalación

Consideramos un compresor ideal que no tenga perdidas de presión en la succión y descarga, además sin volumen muerto. Su diagrama seria el que se muestra a continuación, el área sombreada representa el trabajo total del ciclo de compresión.

Diagrama P-V de un compresor sin volumen muerto

El trabajo total en una compresión isotérmica es:

W isot=P1 .V 1 . ln( P2P1 ) KJkg

(3)

¿ P1 .V 1 . ln(V 1

V 2)(4)

En una compresión adiabática el trabajo total es:

W ad=K

K−1. P1 .V 1 .[( P2P1 )

K−1K −1] KJ

kg(5)

La ecuación (5) puede reescribirse de la siguiente manera:

W ad=m .R .T1 .K

K−1.[( P2P1 )

K−1K −1]KWatt(6)

Donde:


P2

P1

1 2

34

P

V

P.Vn=cte


W ad=potenciaenunacompresiónadiabática .

m=flujode masadeaire kg/ s .

T 1=temperaturade succióndel aire .

En un proceso politrópico el calor entregado por el aire es:

Qn=CV .n−Kn−1

m . (T2−T1 ) KWatt(7 )

En un proceso isotérmico el calor entregado es:

Qisot=W isot KWatt (7)

Cuando se desea comprimir aire a altas presiones se utilizan compresores de varias etapas.

Un diagrama P-V para un compresor de dos etapas se muestra en la siguiente figura

Diagrama P-V de un compresor de 2 etapas sin volumen muerto

Si no hubiera enfriamiento intermedio el proceso de compresión seguiría la línea 1-2-4”, con interenfriamiento se ahorra el trabajo representado por el área sombreada 2’-2-4”-4. La curva de compresión por etapas con interenfriamiento 1-2-2’-4 se acerca al proceso isotérmico 1-2’-4’.

Para realizar el mínimo trabajo en la compresión es necesario que la relaciones de presiones en todas las etapas sean iguales.


0 1

45

P

V

Primera Etapa

Segunda Etapa2

2´3

4”4’

WAtroriadaoSin enfriamiento

Con enfriamiento


P2P1

=P4P2

(9)

En un compresor de 2 etapas la presión intermedio óptima es: según la ecuación (9):

P2=√P1 x P4(10)

Siempre que: n1=n2 yT 1=T 2'

El trabajo y la potencia entregada a un compresor real son diferentes 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.

Un observación a la siguiente figura nos indica de que al 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 la presión es mayor que la presión en la tubería de descarga. En esta figura podemos observar un diagrama indicado de un compresor real.

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 V0 y el volumen de desplazamiento Vd


P1

P2

P

V

V0 Vd

Vs


E=V 0

V 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 perdida de presión en la entrada se obtiene del diagrama indicado.

ηVest=V s

V d

(12)

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

En compresores multietápicos la disminución de la eficiencia volumétrica es más acentuada debido a la precipitación de la humedad en los interenfriadores.

Esta eficiencia se define como la relación entre el peso de fluido descargado durante una revolución del eje del compresor y el peso de fluido, a las condiciones de la línea de succión que ocuparía un volumen igual al desplazamiento total durante una revolución.

ηVr=mr

md

(13)

ηVr=E [0.65−0.85]

Se utiliza además las siguientes eficiencias para determinar la potencia realmente entregada al compresor.

La eficiencia isotérmica es la relación de la potencia isotérmica W isot y la potencia

indicadaP I

ηisot=W isot

PI(14 )

La eficiencia mecánica m es la relación entre la potencia indicada y la potencia en el eje del compresor.

ηm=PIPE



La eficiencia efectiva o eficiencia en el eje ηe es el producto de la eficiencia isotérmica o

adiabática y la eficiencia mecánica.

ηe.isot=η isot . ηm(16)

La potencia real para mover el compresor es mayor que la potencia teórica y está determinada por las siguientes fórmulas:

W e.isot=W isot

ηisot . ηm

(17)

W e.isot=1

60 . ηe .isot

ηVr .V d .N . P1 . ln(P2P1 )KW (18)

Donde:

N=velocidad del eje del compresor , rpm .

V d=volumen dedesplazamientom3 .

OBJETO:

La presente experiencia tiene por finalidad:

1) Conocer en forma objetiva el funcionamiento de un compresor alternativo y además aplicar los conceptos teóricos.

2) Conocer la deposición del equipo y los instrumentos utilizados.

EQUIPO.- El equipo donde se va a experimentar tiene los siguientes datos técnicos:

DATOS TECNICOS DEL COMPRESOR DE AIRE DE DOS ETAPAS

PRIMERA ETAPA (BAJA PRESION)

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

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

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

Volumen de desplazamiento………………………………………………… 1.647 lt

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

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

Relación de velocidades, motor / compresor……………………………… 3:1

Eficiencia de la trasmisión…………………………………………….……. 0.98



Rango de velocidades…………………………………………………..….. 3000-5000 RPM

SEGUNDA ETAPA (ALTA PRESION)

Numero de cilindros…………………………………………………………… 1

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

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

Volumen de desplazamiento………………………………………………… 0.463 lt

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

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

Relación de velocidades, motor / compresor……………………………… 3:1

Eficiencia de la trasmisión…………………………………………….……. 0.98

Rango de velocidades…………………………………………………..….. 3000-5000 RPM

INSTRUMENTACIÓN

6 Termómetros de bulbo sin coraza:

6 Termómetros de bulbo con coraza:

2 Manómetros Bourdon:

2 Manómetros inclinados de líquido:

2 Dinamómetros:

2 Tacómetros:

2 Contómetros:


Rango -------0 -200°CAprox ------- 1°C

Rango ------- -10 -110°CAprox ------- 1°C

Rango ------- 0 -14kg/cm2, 0 -20kg/cm2

Aprox ------- 0 -5kg/cm2 , 1kg/cm2

Rango ------- 0 -70 mmH2OAprox ------- 0 .5 mmH2O

Rango ------- 0 -30 kgAprox ------- 100 gr

Rango ------- 0 -200 RPMAprox ------- 25 RPM

Rango ------- 999,999 revAprox ------- 1 rev

Rango ------- 0 -350 VAprox ------- 10 V


2 Voltímetros:

2 Amperímetros:

1 Indicador de diagramas NAIHACK

ANEXOS:

FLUJOS DE AGUA DE REFRIGERACION

FLUJO DE AIRE

POTENCIA ELECTRICA SUMINISTRADA A CADA MOTOR

POTENCIA DE ENTRADA POR EL MOTOR ELECTRICO


Rango ------- 0 -25 AAprox ------- 0.5 A

Q1=10 .4×H0.527

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

Q2=8 .3×H0 .545

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

Q3=12 .4×H0.5

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

Q4=11.7×H0 .494

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

QA=36 .094×10−4×√h0×T A

PA

.. . .. .. . .. .. . .(m3/ s )

m¿

a=1 .2577×√PA×h0T A

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

PELCBP

=V×I .. . .. .. . .. .. . .(Watt )

PELCAP

=V×I .. . .. .. . .. .. . .(Watt )

PEMCBP

=F×M3 .0592

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

PEMCAP

=F×M3 .0592

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


POTENCIA ENTREGADA AL COMPRESOR (PE)

POTENCIA INDICADA (PI)

CALORES ABSORBIDOS POR EL AGUA DE REFRIGERACION


PE=0.98 PEMPECBP=0 .98PEM . .. . .. .. . .. .. .(Watt )PECAP=0 .98PEM . .. . .. .. . .. .. .(Watt )Pot .tot .entreg .compresor=PECBP+PECAP .. .. . .. .. .. . ..(Watt )

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 )

Q¿

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

Q¿

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

Q¿

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

Q¿

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

∑Q¿

TotalAbsorvido=Q¿

CBP+Q¿

CAP+Q¿

IE+Q¿

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


ENERGÍA APROVECHABLE

PERDIDA DE CALOR POR RADIACION Y CONVECCION

CALCULO DE LAS EFICIENCIAS MECANICAS

EFICIENCIA MECANICA

ηm=( P ICBP

PECBP)

ηm=( P ICAP

PECAP)

EFICIENCIA VOLUMETRICA APARENTE

ηVCBP=1−[(P2P1 )1n−1]∗Ε

ηVCAP=1−[(P2P1 )1n−1]∗Ε

EFICIENCIA VOLUMETRICA REALES

md=ρ∗νd=( p

R∗T )∗νd


H¿

5−H¿

1=m¿

C p (T5−T 1) .. . .. .. . .. .. . ..(Kw )

H¿

5−H¿

1=∑ Potentregada−∑ Q¿

refrig .−Q¿

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

ηmCBP=PICBPPECBP

×100 .. . .. .. .(% )

ηmCAP=PICAPPECAP

×100 .. . .. .. .(% )


m0

=md∗N60

ηvr=mreal

0

m0

r

ηvrCBP=mreal

0

m0

r

POTENCIA ISOTERMICA Y EFICIENCIA ISOTERMICA

W0

=P1∗V0

1∗Ln(P2P1 )BIBLIOGRAFÍA

Laboratorios de ingeniería mecánica de la Universidad Católica. Guía del laboratorio de ingeniería mecánica de la Facultad de Mecánica (UNI). Busqueda en google: tecnologia de compresores

http://www.sapiensman.com/neumatica/neumatica_hidraulica10.htm Busqueda en google: estapas de compresion

http://www.tecnologiaindustrial.info/index.php?main_page=document_general_info&products_id=354

Manual del ingeniero mecanicoAutor: Seymour Doolitle

www.catalogo.uni.edu.pe/cgi-bin/koha/opac-detail.pl?biblionumber Departamento de ingenieria electrica y energética, Universidad de

Cantabria, Compresores ,Pedro Fernández Díezwww.ives.edu.mx/bibliodigital/.../Compresores/Compresores.pdf


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