Compre Sores

Instituto Tecnolgico de Celaya Motores de Combustin Interna y Compresores

Compresores Unidad VI

Con el trmino compresores, se designa a toda una gama de mquinas que se utilizan para elevar la presin de los gases a un valor mayor que la presin atmosfrica. Los gases, a presiones mayores que la atmosfrica, son de uso comn en la industria. El proceso de compresin es parte integral de los ciclos de refrigeracin y de los de turbinas de gas, se aplica tambin en las tcnicas de obtencin de oxigeno y nitrgeno a partir del aire, as como en la licuacin de otros gases. Aun cuando hay compresores para manejar cualquier tipo de gas, los mas comunes son los de aire, debido a la gran aplicacin que tiene el aire comprimido como elemento de transmisin de energa por su adaptabilidad y facilidad de conduccin. El aire comprimido se emplea para accionar motores, perforadoras, martillos y todo tipo de herramientas neumticas; en el pulimento de chorros de arena, en el pintado y barnizado con pistola, en el esmerilado de vidrios, etc. Se utiliza adems para activar la combustin en los altos hornos y en los convertidores donde se refina el acero, para la sobrealimentacin y el barrido de los cilindros de los motores Diesel de gran capacidad. En instalaciones con regulacin automtica se emplea extensamente para accionar los servomecanismos que operan sobre las vlvulas, cierres y otros dispositivos de control, as como elemento de medida, transmisin y control de los instrumentos de regulacin. Los motores pueden requerir un compresor como componente necesario para un buen barrido o como un medio para elevar la potencia producida. La potencia de un motor queda limitada directamente por la cantidad de aire inducida al interior de los cilindros. Se puede aumentar el consumo de aire aumentando el nmero y tamao de los cilindros o evitando sobrepeso mediante el empleo de un compresor, para sobrealimentar con aire o con mezcla al cilindro. La sobrealimentacin es una prctica normal en motores de aviacin de gran potencia, obtenindose poco peso por unidad de potencia producida. Puesto que un sobrealimentador es un compresor, el motor sobrealimentado tendr una relacin de compresin total ms alta que la relacin de expansin. La gran relacin de compresin trae, como consecuencia, mayor densidad y alta temperatura de alimentacin durante el encendido o la inyeccin. Estos efectos incrementan la tendencia del motor de encendido por chispa hacia el golpeteo, pero, en cambio, disminuyen las del motor de encendido por compresin, incluso para servicio automotriz. Si bien, la sobrealimentacin implica la existencia de presiones mucho mayores que la atmosfrica al comienzo de la carrera de compresin, esto podr no ser necesario. Es de admitir que el funcionamiento de un motor con ciclo de dos carreras dependa completamente del concurso de un soplador, pero ste nunca aumentar la cantidad de aire en el cilindro, aun cuando la presin dentro de l sea esencialmente la atmosfrica. En el motor de cuatro tiempos el sobrealimentador puede vencer las prdidas de la friccin fluida en el mltiple de admisin, mientras barre el volumen de compresin, y el aumento de la cantidad de aire en el cilindro ser una fraccin considerable del volumen de desplazamiento. Por estas razones, es ms propio definir la sobrealimentacin como cualquier asistencia dada al proceso de admisin mediante un ventilador, soplador o compresor suplementarios. Es muy frecuente seleccionar arbitrariamente una presin

6 Compresores



de admisin; si el compresor suministra aire debajo de la presin especificada, se dice que el motor es barrido pero no sobrealimentado, y el compresor se llama soplador barredor. Por otro lado, resulta indiscutible que en la actualidad los procesos de manufactura en la industria tienden a ser completamente automatizados, requiriendo de una aplicacin de equipo neumtico, tanto para transporte, propulsin, manipulacin; es decir, la presencia de dispositivos neumticos en la industria ha permitido una mayor evolucin y flexibilidad en las lneas de trabajo. De acuerdo con lo anterior, uno de los elementos que juega un papel muy importante en dichos equipos es el compresor, dispositivo que convierte el trabajo mecnico en energa potencial de gas a alta presin.

No existe un criterio nico a partir del cual se pueda hacer una clasificacin general de los compresores. Para hacerlo, se toman en cuenta varios factores: el incremento de presin que producen, la forma fsica fundamental como efectan la compresin, la trayectoria que siguen las partculas gaseosas en el interior de la mquina, etc. A continuacin se presentan los principales tipos de compresores de acuerdo a la forma fsica fundamental como realizan la compresin de los gases. Las bombas o compresores de leva, de diafragma o de difusin no se muestran dado lo especializado de sus aplicaciones. Paletas deslizantes Lbulos helicoidales desplazamiento rotatorios Lbulos rectos positivo pistn lquido (flujo intermitente) reciprocantes compresores centrfugos flujo continuo dinmicos (flujo radial) flujo axial flujo mixto eyectores Las unidades de desplazamiento positivo son aquellas en las que volmenes sucesivos de gas son confinados dentro de un espacio cerrado y elevados a mayores presiones. Los compresores de desplazamiento positivo rotativos son mquinas en las cuales la compresin y el desplazamiento son efectuados por la accin positiva de elementos rotatorios. Los compresores de paletas deslizantes son mquinas rotatorias de desplazamiento positivo en las cuales unas paletas axiales se deslizan radialmente en un rotor montado excntricamente dentro de una carcaza cilndrica. El gas atrapado entre las paletas es comprimido y desalojado. Los compresores de lbulos rectos, son mquinas rotatorias de desplazamiento positivo en las cuales dos o tres impulsores de forma lobular, atrapan al gas llevndolo de la admisin a la descarga. No hay compresin o reduccin en el volumen del gas durante el giro de los rotores. Los impulsores tan solo mueven el gas de la admisin a la descarga. La compresin se efecta por contraflujo de la lnea de descarga a la carcaza, al momento en que se abre el puerto de descarga. Los compresores de lbulos helicoidales o en espiral, son mquinas rotatorias de desplazamiento positivo en las cuales dos rotores engranados, cada uno con forma helicoidal, comprimen y desplazan el gas. Los compresores de pistn liquido, son mquinas rotatorias de desplazamiento positivo en las cuales agua o algn otro lquido es utilizado como un pistn para comprimir y desalojar el gas manejado.



Los compresores reciprocantes son mquinas de desplazamiento positivo en las cuales el elemento que comprime y desaloja al gas, es un mbolo con movimiento reciprocante dentro de un cilindro. Los compresores dinmicos son mquinas de flujo continuo, en las cuales el rpido giro de un elemento rotatorio acelera el gas conforme pasa a travs del elemento, convirtiendo la carga de velocidad en presin, parcialmente en el elemento rotatorio y parcialmente en difusores o labes estacionarios. Los compresores centrfugos son mquinas dinmicas en las cuales uno o ms impulsores rotatorios generalmente cerrados, aceleran el gas. El flujo es radial. Los compresores axiales son mquinas dinmicas en las cuales la aceleracin del gas se obtiene por la accin de un rotor. Los compresores de flujo mixto, son mquinas dinmicas con un impulsor cuya forma rene caractersticas de los tipos axial y centrfugo. Los eyectores son dispositivos que emplean un chorro de gas o vapor a alta velocidad. Considerando el incremento de presin que producen los compresores en general se clasifican de la siguiente manera: a)Ventiladores.- son aparatos que elevan la presin de los gases hasta 0.07 kg/cm2 sobre la presin atmosfrica- son mquinas de tipo dinmico y forman parte de la familia de las turbomquinas generatrices, y dentro de ellas ocupan un puesto intermedio entre los turbocompresores y el de las bombas centrfugas para lquidos. En los ventiladores el fenmeno de compresin es de tan poca importancia que puede despreciarse, ya que la densidad del gas raramente se incrementa a ms del 7%.

Segn su accin sobre el fluido pueden ser centrfugos, axiales o de flujo mixto. Se utilizan para el transporte de partculas en suspensin en las corrientes de aire, en las instalaciones de tiro inducido y tiro forzado para la extraccin de gases de combustin e inyeccin de aire puro en hornos de calcinacin, estufas, hogares de calderas, etc. B)Sopladores y Turbosopladores.- son las mquinas que elevan la presin hasta aproximadamente unos 2,8 kg/cm2 sobre la presin atmosfrica; los primeros son de desplazamiento positivo y pueden ser alternativos o rotatorios, los segundos son de accin dinmica y pueden ser centrfugos, axiales o de flujo mixto. Se utilizan para suministrar tiro forzado a altos hornos, convertidores Bessemer y Cubilotes, para la sobrealimentacin de motores de combustin interna de gran capacidad, y en general en todas las aplicaciones donde se necesita reforzar la presin de los gases. C)Compresores y Turbocompresores.- los compresores y turbocompresores propiamente dichos, son mquinas con las que se alcanzan presiones relativas desde 2.8 kg/cm2

aproximadamente hasta prcticamente cualquier presin requerida, logrndose presiones hasta de 400 kg/cm2 mediante unidades de desplazamiento positivo de varias etapas. Debido a su amplio rango de operacin, los compresores y turbocompresores son aplicables a casi cualquier uso, prefirindose unos tipos a otros dependiendo de sus caractersticas particulares que los hacen ms adecuados para alguna aplicacin especfica. En trminos generales, todos los compresores de desplazamiento positivo son mquinas de elevada eficiencia volumtrica que generan altas presiones, sin embargo, su capacidad se ve limitada por su desplazamiento permisible del mbolo en el cilindro en el caso de los reciprocantes. Por su parte los turbocompresores, al igual que todas las mquinas dinmicas, tienen una construccin compacta que les permite resistir grandes esfuerzos, de manera que pueden acoplarse directamente a mquinas propulsoras de elevada velocidad de rotacin, como turbinas de gas y de vapor. Los turbocompresores se emplean para la compresin de aire, vapor y otros gases cuando el caudal en m3/ hora en la aspiracin es como mnimo igual a 800-1200 veces la relacin de compresin requerida. En el caso de caudales menores, generalmente se prefieren los compresores de desplazamiento positivo, los caudales presentan un mayor rendimiento y economa.



En funcin del tipo de movimiento, los compresores se puede clasificar en: compresores de movimiento alternativo o reciprocante y compresores de movimiento rotatorio. Los primeros de ellos se utilizan preferentemente cuando se trabaja con presiones altas y flujos volumtricos bajos; mientras que los centrfugos o rotatorios, cuando se tratan presiones bajas y flujos volumtricos altos. Pese a lo anterior no existe una regla estricta para su seleccin. Otra clasificacin de los compresores es en funcin del tipo de flujo: Compresores de desplazamiento positivo, los cuales pueden ser de mbolo, rotatorios y de tornillo; y compresores de desplazamiento no positivo o dinmico, los cuales son centrfugos y axiales. En la Tabla 6.1 se muestran algunas de las caractersticas de los compresores

Caracterstica Desplazamiento Positivo Dinmico

Vlvulas Si No Lubricacin SI No Dimensiones Pequeas Grandes Cantidad de gas Pequea Grande Relacin de presiones Alta Baja Flujo de aire Intermitente Continuo Gasto de aire Constante Variable

Como podemos apreciar de la tabla anterior, en lugares donde se requieren de volmenes moderados se pueden utilizar acertadamente compresores reciprocantes o rotativos. En la industria los turbocompresores son los ms comunes y estn constituidos fundamentalmente por un rotor provisto de labes, que gira dentro de una carcasa de hierro fundido o acero, hermticamente cerrada, de forma que pueda producirse un gradiente de presin entre la entrada y salida de la mquina, en virtud de la accin de los labes del rotor sobre el fluido, es decir, se tiene un gradiente de presin dinmica. La direccin del flujo puede ser radial o axial, a los que se llaman radiales o centrfugos para los primeros y axiales a los segundos. El campo de operacin de los turbocompresores puede observarse en la figura, proporcionada por la empresa SULZER de Winterthur, Suiza; la cual es adoptada por otras empresas. En los compresores reciprocantes, el proceso de compresin se lleva a cabo por medio de un pistn que se mueve alternativamente dentro de un cilindro, tomando y descargando el fluido por medio de vlvulas. Su aplicacin es para presiones superiores a 500 bar abs Y pueden llegar hasta 8000 bar abs.

Ventajas de los turbocompresores sobre los compresores reciprocantes a).- Construccin compacta que siempre ofrece una mquina giratoria sobre una alternativa b).- Tamao reducido de mquina c).- Seguridad en el funcionamiento d).- Mantenimiento mnimo e).- Desgastes despreciables f).- Recambio superfluo de partes g).- Cimentacin sencilla y econmica h).- Fcil instalacin y operacin i).- Funcionamiento sin vibraciones o en grado mnimo j).- Regulacin progresiva fcil k).- Empleo de motores elctricos de induccin simples para actuarlos l).- Bajo consumo de corriente elctrica en el arranque m).- Remota contaminacin del fluido por el aceite lubricante n).- Gasto volumtrico superior



Ventajas de los turbocompresores centrfugos sobre los axiales a).- Ms robustez y, por tanto, mayor seguridad en la operacin b).- Menor nmero de escalonamientos para la misma relacin total de presiones. La ganancia por

peso es mayor c).- Presentan mayor facilidad para alojar los interenfriadores d).- Mayor estabilidad en su funcionamiento. El fenmeno de oscilacin es menos notorio e).- Alcanzan presione de trabajo ms altas, hasta de 400 bar. Loas axiales estn limitados a unos

50 bar. f).- La curva de rendimiento es ms plana, por ser menos sensibles a los efectos de incidencia del

fluido sobre los labes en el trabajo a carga parcial y sobrecarga.

Ventajas de los compresores axiales sobre los centrfugos a).- Mejor rendimiento trabajando en condiciones de diseo b).- Para la misma potencia, el axial es de menor tamao y peso, aumentando la velocidad de

giro. Esta ventaja es muy importante en ciertos servicios, sobre todo en las turbinas de gas

de aviacin, donde tienen excelente aplicacin. c).- Permiten manejar mayores caudales de fluido que los centrfugos, lo que significa una gran

ventaja en su aplicacin a los motores de turbina de gas, ya que se pueden obtener mayores

potencias en estas mquinas.

Ventajas de los compresores de desplazamiento positivo sobre los turbocompresores

a).- Los compresores de desplazamiento positivo reciprocantes pueden alcanzar presiones de trabajo mucho ms altas que con los turbocompresores. En ciertos procesos donde se exijan presiones superiores a los 500 bares y hasta 8000 es necesario hacer uso de compresores reciprocantes. Tambin han resultados convenientes los compresores de pistn en la ingeniera de bajas temperaturas, en procesos de llenado de tanques, en el manejo del gas natural, etc.

b).- Los compresores de pistn de laberinto ofrecen sistemas de sellado muy eficaces que permiten la compresin de fluidos libres de contaminacin por el aceite lubricante, como es

la exigencia de ciertos procesos qumicos. c).- Cuando la presin en la succin es inferior a la atmosfrica, los turbocompresores tienen muy

limitada su aplicacin, salvo en aquellos casos donde no sea muy sensible esa reduccin de presin, por ejemplo, hasta el orden de 500 mbar.

Los compresores reciprocantes constituyen una de las dos ramas en que se dividen los compresores de deslizamiento positivo. Un compresor reciprocante en su forma ms sencilla, est constituido por un cilindro dentro del cual se desplaza un mbolo con movimiento alternativo, aspirando el gas cuando se mueve en una direccin y comprimindolo cuando se desplaza en el sentido opuesto. La entrada y la salida del gas al cilindro se regula por medio de vlvulas que pueden ser del tipo que abre y cierra automticamente mediante una diferencia de presiones o pueden ser de las que se operan mecnicamente con levas y varillas en forma anloga como trabajan las vlvulas en un motor a gasolina. En la figura 1 se ilustra grficamente el funcionamiento de un compresor reciprocante. Los compresores de pistones son construidos para obtener presiones de descarga tan bajas como 0.07 kg/cm2 sobre la presin atmosfrica, o hasta 9 kg/cm2 en una sola etapa. Cuando se desean presiones mayores, la compresin es repartida en etapas con refrigeracin intermedia. Con los compresores de dos etapas se alcanzan presiones de descarga desde 9 y hasta 35 kg/cm2, los de tres etapas son empleados para obtener presiones de hasta 175 kg/cm2 y los de cuatro etapas para presiones de 175 kg/cm2 a 350 kg/cm2 y an mayores en casos especiales. Estos compresores pueden ser impulsados por mquinas de vapor, motores de combustin interna, motores elctricos y ruedas hidrulicas, bien sea por acoplamiento directo o mediante transmisiones. Pueden ser clasificados de acuerdo al nmero de etapas, tipo de construccin, sistema de enfriamiento, clase de vlvulas, etc.



Tomando en cuenta sus principales caractersticas constructivas y de funcionamiento se clasifican de la siguiente manera: Por el nmero de efectos. a)de simple efecto: cuando solamente se utiliza una cara del mbolo para efectuar la compresin. b)de doble efecto: cuando las dos caras del mbolo se emplean para efectuar la compresin. Por la disposicin de los mbolos y los cilindros.

a) Verticales b) Horizontales c) En V d) En ngulo e) Tipo duplex f) En tndem g) semiradiales

en la figura 2 se muestran esquemticamente los arreglos mencionados

por el nmero de etapas a) de una etapa: cuando el incremento total de presin del gas se efecta en un solo

cilindro. b)De dos o ms etapas: cuando la compresin se efecta en dos o ms pasos en cilindros separados. En las unidades multietapas el gas comprimido al salir de una etapa pasa antes de ser admitido en la siguiente por un dispositivo enfriador que le quita el calor generado durante la anterior fase de compresin.

Por el tipo de enfriamiento: a) enfriados por aire: el enfriamiento de estos compresores se realiza mediante aletas

adheridas a la superficie exterior de los cilindros, los cuales por su gran superficie disipan a la atmsfera el calor que se genera en la compresin.

B) Enfriados por agua: cuando es insuficiente el sistema de enfriamiento por las que se hace circular agua fria, la cual absorbe el calor de la compresin. Las unidades equipadas con este sistema suelen contar con dispositivos para el bombeo y refrigeracin del agua de enfriamiento.

Por el tipo de lubricacin: a) compresores lubricados: a este tipo permanece la gran mayora de los compresores.

Mediante un sistema que puede ser parecido al empleado en los motores de combustin interna se lubrica la superficie interior de los cilindros, empleando por lo general lubricantes derivados del petrleo.

b) Compresores no lubricados: este tipo de compresores se emplean para aquellas aplicaciones especiales en que se requiere aire libre de aceite. No se aplica ningn aceite lubricante a los cilindros pero stos y los anillos tienen un recubrimiento de grafito, material que tiene un bajo coeficiente de rozamiento. Se usan, por ejemplo en sistemas de control donde el aire tiene que entrar a aparatos muy precisos y delicados.

Como se mencion, los compresores reciprocantes se utilizan generalmente para presiones altas y volmenes de flujo bajos; y a su vez pueden ser de simple y doble efecto, los primeros comprimen el gas en un sentido de su carrera, mientras que los de doble efecto en ambos sentidos. Enseguida se definen algunas caractersticas importantes de los compresores: La capacidad de un compresor se define como el volumen de gas realmente aspirado por la mquina en la unidad de tiempo, medido en las condiciones de presin y temperatura existentes en la aspiracin. Tratndose de compresores para aire, las condiciones existentes en la aspiracin son las atmosfricas.



El desplazamiento de un compresor es el volumen barrido en la unidad de tiempo por el pistn del compresor. En los compresores de dos o ms escalonamientos, el clculo del desplazamiento se basa slo en el cilindro o cilindros de la etapa de baja presin, que es la que determina la cantidad de gas que pasa por las dems etapas. Para un compresor monocilindrico de simple efecto, el desplazamiento en metros cbicos por minuto viene dado por la frmula:

4

2LnDDV

en donde: VD = desplazamiento o cilindrada en m3/min. D = dimetro del cilindro en metros. L = longitud de la carrera en metros. n = revoluciones por minuto.

La eficiencia volumtrica real (VR) de un compresor reciprocante se define por la relacin:

min/3mcompresordelentodesplazamicompresordelcapacidad

vR

A continuacin se analizar un compresor alternativo sin huelgo (Fig. 6.1), es decir, sin espacio entre la parte superior del mbolo, cuando se encuentra en su punto muerto superior, y la cmara de compresin.

Fig. 6.1 Compresor ideal sin huelgo

El diagrama Presin Volumen (Fig. 6.2) muestra el ciclo de compresin. Del punto d al a, se produce la admisin del gas a presin constante hasta que el pistn llega a su punto muerto inferior; enseguida, de a a b se realiza la compresin isoentrpica hasta que el gas alcanza la presin del sistema y se realiza, de b a c, la descarga.

El volumen de gas admitido por ciclo, en m3/ciclo, es:

dag VVV 1

de la ecuacin de los gases perfectos, el volumen especfico del gas admitido, en m3/Kg., es:

1

1

1P

TRv

g

El gasto de gas admitido, en m3/min, es

NVG gg 11

D

(1)

(2)m

g

Q=0

PMS PMI

W

m

g

o

o

o

o

L

N



en donde: N= Nmero de revoluciones por minuto o ciclos por minuto.

Fig. 6.2 Diagrama Presin Volumen

El flujo de masa admitido es

1

1

1v

Gm

g

g

Por otro lado, el volumen desplazado por el pistn por carrera, en m3/ciclo

1g

pp

V

LAV

El desplazamiento por minuto del pistn, en m3/min

1g

ppp

G

LNANVD

El volumen de gas descargado por ciclo, de acuerdo a la figura 6.2, en m3/ciclo

cbg VVV 2

Por lo que el gasto de gas descargado, en m3/min, es

NVG gg 22

El volumen especfico del gas descargado, en m3/kg, es

2

2

2P

TRv

g

Con esto, el flujo msico de descarga, en kg/min. ,

2

2

2v

Gm

g

g

Sin embargo, por un balance de masa en estado estable, podemos escribir que

ggg mmm 12

(1)

(2)m

g

PMS PMI

m

g

o

o

L

(a)

(b)(c)

(d)

descarga

admisin

compresin

PV =C

2

1

V

P

P

P

K



1

1

2

2

v

G

v

G gg

gab

gg

mv

V

v

Vv

NV

v

NV

12

1

1

2

2

siendo mg la masa de gas en un ciclo. El siguiente diagrama de Temperatura Entropa (Fig. 6.3), nos muestra el proceso de compresin del gas

Fig. 6.3 Diagrama Temperatura-Entropa

Del cual podemos escribir que

P1=Pa=Pd T1=Ta=Td V1=va=vd P2=Pb=Pc T2=Tb=Tc V2=vb=vc

Para el proceso isoentrpico (adiabtico y sin friccin)

kk

k

vPvP

CPv

2211

222111 , TRvPTRvP gg

Combinando las ecuaciones anteriores

1

2

1

1

1

2

1

2

kk

k

v

v

P

P

T

T

11

1

2

k

b

ak

k

v

vrp

T

T

donde, rp es la relacin de compresin P2/P1, y k es la relacin de calores especficos del gas, Cp/Cv. Por otro lado, el trabajo requerido por ciclo es

epecVdPW

(a)

(b)(c)

(d)

PV =C

1

2

S

TP

P

K

T2

1T

S1 S2=

=

=(2) =

=(1)



despreciando los cambios de energa cintica y potencial del gas,

VdPW

El trabajo para el ciclo de compresin es

adcbbatot WWWW

de la relacin isoentrpica

CVPVP

PCV

CPV

k

g

k

g

kk

k

2211

11

Sustituyendo en la ecuacin para el trabajo

2

1

11 P

P

kk dPPCW ,

cuya integral es

11

1

1

211

k

k

gP

PVP

k

kW

tomando rp y la relacin isoentrpica, se obtiene

1

1 1

21

T

TTRm

k

kW gg

donde mg es la masa de gas por ciclo, kg/ciclo. La potencia requerida ser

WNW

11

1

1

211

k

k

gP

PGP

k

kW

donde Gg1=Vg1N, o

1

1 1

21

T

TTRm

k

kW gg

En estos compresores, cuando el pistn llega a su punto muerto superior, queda un espacio entre el cilindro y el mbolo, al cual se le llama huelgo.

D

(1)

(2)m

g

Q=0

PMS PMI

W

m

g

o

o

o

o

L

N

l



Fig. 6.4 Compresor ideal sin huelgo

El diagrama Presin-Volumen muestra el proceso de compresin, durante el desplazamiento ascendente y descendente del pistn.

Fig. 6.5 Diagrama Presin-Volumen para un compresor ideal con huelgo

Enseguida se presenta el diagrama Temperatura-Entropa, para el mismo proceso de compresin.

Fig. 6.6 Diagrama Temperatura-Entropa para un compresor ideal con huelgo

En consecuencia, del diagrama Temperatura Entropa se tiene

P1=Pa=Pd T1=Ta=Td P2=Pb=Pc T2=Tb=Tc

(1)

(2)m

g

PMS PMI

m

g

o

o

L

(a)

(b)(c)

(d)

descarga

admisin

compresin

PV =C

2

1

V

P

P

P

KPV =C

expansinK

(a)

(b)(c)

(d)

PV =C

1

2

S

TP

P

K

T2

1T

S1 S2=

=

=(2) =

=(1)



Con lo anterior, podemos calcular los volmenes especficos de entrada y salida del gas comprimido. Volumen especfico del gas admitido, en m3/kg

1

1

1P

TRv

g

Volumen especfico del gas descargado, en m3/kg

2

2

2P

TRv

g

donde Rg = Constante del gas, kgfm/kgmK. El volumen de gas admitido por ciclo, en m3/ciclo, es

dag VVV 1

La masa de gas admitida por ciclo, en kg/ciclo, es

1

1

1v

Vm

g

g

El volumen de gas descargado por ciclo, en m3/ciclo, es

cbg VVV 2

La masa de gas descargada por ciclo, en kg/ciclo, es

2

2

2v

Vm

g

g

Nuevamente, si consideramos el estado estable, tenemos que

12 gg mm

Considerando que el volumen de gas en el huelgo, es Vc, en m3/ciclo y tomando en cuenta que el estado termodinmico de c pertenece a las condiciones de salida, la masa en el huelgo, en kg/ciclo, es

2v

Vm cc

Por otro lado, la masa de gas total que se comprime en cada ciclo es

cg mm 1

Y el volumen desplazado pro el pistn, en m3/ciclo, es

LD

LAV pp

4

2

donde, para este caso se tiene que Vp>Vg1. El volumen de gas en el huelgo, en m3/ciclo, es

lD

lAV pc

4

2

Los flujos de masa de gas admitido y descargado, en kg/min. , son



12

2

2

22

1

1

11

ggg

gg

g

gg

mm

v

NVNmm

v

NVNmm

Los gastos de gas admitido y descargado son, en m3/min,

NVG

NVG

gg

gg

22

11

entonces, se puede deducir que

2

2

2

1

1

1

v

Gm

v

Gm

g

g

g

g

El desplazamiento por minuto del pistn, en m3/min, es

LND

LNANVDP pp

4

2

para este caso DP>Gg1. El porcentaje de huelgo ser la relacin de los volmenes de huelgo y pistn

% V

V

% A

A

%

a

c

p

p

,100

,100

,100

xV

xL

l

L

l

xV

Vc

c

p

c

De lo anterior, el rendimiento volumtrico se puede expresar como

% V

%

a ,100

,1001

xVV

V

xV

Vev

ca

d

p

g

Para el proceso isoentrpico de expansin, tenemos

11

1

2

1

2

11

k

c

dk

k

k

c

dk

k

d

c

d

c

v

v

P

P

T

T

v

v

P

P

T

T

Considerando la relacin de presiones, se llega a la relacin



c

d

b

a

V

V

V

V

Introduciendo esta igualdad en la expresin para el rendimiento volumtrico

% ,10011

xrpccev k

Analizando el diagrama Presin-Volumen, el trabajo requerido por ciclo es

dcba WWW

donde Wa-b es el trabajo requerido para comprimir la masa de gas contenida en el cilindro, la cual se puede expresar como

mgcmgba WWW 1

y Wc-d es el trabajo desarrollado por el gas que queda comprimido en el huelgo, y se expresa como Wc-d. Sustituyendo en la expresin para el trabajo, resulta

1

1

mg

mcmcmg

WW

WWWW

de aqu se observa que el trabajo total requerido por ciclo para realizar la compresin es

11

1

1

211

k

k

gP

PVP

k

kW

tomando rp y la relacin isoentrpica, se obtiene

1

1 1

21

T

TTRm

k

kW gg

La potencia neta consumida ser

WNW

11

1

1

211

k

k

gP

PGP

k

kW

donde Gg1=Vg1N, o

1

1 1

21

T

TTRm

k

kW gg

Realizando un balance de energa para el sistema abierto, con una entrada y una salida de flujo, en estado estable

epechmWQ g simplificando se obtiene que la potencia es

12 TTCpmW gg .



A continuacin, se realizar la compresin para un proceso real, en un compresor con huelgo, considerando prdidas por friccin, prdidas de calor hacia el exterior sin sistema de enfriamiento. Para este compresor, se considera que, durante la etapa de admisin, existe una cada de presin para inducir el gas hacia el interior del cilindro. Para iniciar, con el movimiento descendente del pistn, la compresin politrpica hasta una presin un poco mayor a la de descarga, efectundose sta una vez alcanzada dicha presin. Al terminar el desalojo de los gases, se cierran las vlvulas expandindose el gas, que queda confinado en el espacio del huelgo, durante el movimiento descendente del pistn; creando una cada de presin para provocar la entrada de gases al abrirse la vlvula de admisin, empezando de nuevo la compresin. Enseguida, se presenta el diagrama Presin-Volumen para el proceso real de compresin, indicando tambin como se realiza el proceso ideal.

Figura 6.7 Diagrama Presin-Volumen para un compresor real con huelgo

(1)

(2)m

g

PMS PMI

m

g

o

o

Vp

(a)=(ai)

(b)(c)=(ci)

(d)

descarga

admisin

compresin

PV =C

2

1

V

P

P

P

KPV =C

expansinK

Vg1

nPV =C

n

PV =C (di)

(bi)

Ps

Pe

c d b aV V V V



PV =C

1

2

S

TP

P

K

aT

2=c

1

dP

bP

bT

cT

dT d

b

a

PV =C

1

2

S

TP

P

K

T2

1T

(2)

(1)

Aplicando un buen sistema de enfriamiento basado en agua (camisas de agua) o de aire (ventilador y aletas en el cilindro), el diagrama se modifica de la siguiente manera

Figura 6.8 Diagrama Presin-Volumen para un compresor real con huelgo y sistema de enfriamiento

Los diagramas Temperatura-Entropa que se presentan, muestran los procesos en forma detallada y simplificada, respectivamente.

a) b)

Figura 6.9 Diagrama Temperatura-Entropa

a) Diagrama detallado, b) Diagrama simplificado

(1)

(2)m

g

PMS PMI

m

g

o

o

Vp

(a)=(ai)

(b)(c)=(ci)

(d)

descarga

admisin

compresin

PV =C

2

1

V

P

P

P

K

PV =C

expansinK

Vg1

nPV =C

n

PV =C (di)

(bi)

Ps

Pe

c d b aV V V V



Para este caso, la presin del gas al terminar la compresin es

sb PPP 2

y al terminar la expansin

ed PPP 1

Los volmenes especficos en la succin y descarga del gas son, respectivamente

2

2

2

1

1

1P

TRv

P

TRv

gg y

El volumen y masa de gas admitido son

dag VVV 1 , en m3/ciclo; y

1

1

1v

Vm

g

g , en kg/ciclo.

Para la descarga, el volumen y su masa sern, respectivamente

cbg VVV 2 , en m3/ciclo; y

2

2

2v

Vm

g

g , en kg/ciclo.

Al igual que los anlisis para los compresores anteriores, considerando el proceso politrpico de compresin, se tiene

;1CvPn

aa agaa TRvP

;1CvPn

bb bgbb TRvP

Combinando estas expresiones

111

n

b

a

n

b

an

n

a

b

a

b

V

V

v

v

T

T

P

P

Para el proceso de expansin

;2CvPn

cc cgac TRvP

;2CvPn

dd dgdd TRvP

Operando de manera semejante que para el proceso de compresin,

111

n

c

d

n

c

dn

n

d

c

d

c

V

V

v

v

T

T

P

P

Para el proceso total de compresin, de 1 a 2 (Fig. 6.9), considerndolo como un proceso politrpico

1

2

1

1

1

2

1

2

nn

n

v

v

P

P

T

T

donde

21 nnn dcba

El gasto y flujo de masa del gas admitido es

NVG gg 11

Nmv

Gm g

g

g 1

1

1

1



Para el caso de la descarga, el gasto y flujo es, respectivamente

NVG gg 22

Nmv

Gm g

g

g 2

2

2

2

Pero, para el estado estable se tiene

ggg mmm 21

El desplazamiento por minuto del pistn es

LND

LNANVDP pp

4

2

De lo anterior, se puede expresar el volumen volumtrico como

% G

%

g1;100

,1001

1

xDP

xrpccev k

La potencia que el pistn suministra al gas, o potencia neta, se denomina Potencia Indicada consumida por el compresor, y se expresa como

11

1

1

211

n

n

giP

PGP

n

nW

o

1

1 1

21

T

TTRm

n

nW ggi

El rendimiento mecnico del compresor se define por

% ;100xW

We

f

i

m

donde fW es la potencia al freno suministrada al compresor y siempre ser if WW .

Realizando un balance de energa en estado estable, se tiene

epechmWQ gper de donde se puede simplificar a la expresin

ggfper hmWQ 12 TTCpmWQ ggfper

El calor transferido al sistema de enfriamiento se puede escribir como

12 TTCpmWQ ggfper



los parmetros que normalmente pueden variar en forma independiente durante la operacin de un compresor reciprocante de caractersticas constructivas dadas, aparte de las condiciones atmosfricas que prcticamente permanecen constantes son dos: la presin de descarga y la velocidad de rotacin, quedando determinados por los valores de stas para cualquier condicin de funcionamiento las siguientes magnitudes: el desplazamiento, la capacidad, la eficiencia volumtrica y la potencia al freno. La relacin que existe entre los valores de estas magnitudes dependientes con cada una de las posibles condiciones de presin de descarga y velocidad en que puede operar el compresor, es a lo que se llama caractersticas de funcionamiento del compresor. En la mayora de los casos, los compresores reciprocantes son impulsados por motores elctricos cuya velocidad apenas vara entre pequeos lmites para cualquier condicin de carga, por lo que las curvas caractersticas de los compresores suelen ser de velocidad constante. En la Fig.12 se muestran las curvas caractersticas de un compresor obtenidas experimentalmente; en ellas se muestra la forma en que varan la eficiencia volumtrica, la capacidad y la potencia al freno al variar la presin de descarga. Ntese que el desplazamiento permanece constante, lo cual se debe a que la velocidad de rotacin se mantuvo invariable para todos los valores de la presion de descarga.

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