Practica Compresor

INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

UNIDAD PROFESIONAL ULHUACANLABORATORIO DE MAQUINAS TERMICAS

7mo SEMESTRE

PRACTICA 1“COMPRESOR DE MOVIMIENTO ALTERNATIVO”

OBJETIVOS:

Generales:

1. Repasar la definición de compresor, los tipos de compresores, la utilidad y aplicaciones de los gases comprimidos y en particular del aire

2. Repasar el ciclo teórico convencional con espacio muerto y el ciclo real de un compresor de movimiento alternativo.

Para el compresor del laboratorio, con una etapa:

1. Conocer sus componentes principales.2. Conocer sus sistemas de instrumentación3. Aprender a operar el equipo: su arranque, operación y paro.4. En base a datos de mediciones de prueba, efectuar los cálculos para determinar :

El desplazamiento. Relación de presiones del compresor. El flujo másico de aire. La capacidad de aire libre. El rendimiento volumétrico real.

POTENCIA Y EFICIENCIA:

Potencia eléctrica suministrada. Potencia en la flecha del motor eléctrico. Eficiencia del motor eléctrico. Potencia en la flecha del compresor. Potencia indicada en el compresor. Eficiencia del compresor. Potencia teórica obtenida (del ciclo teórico con espacio muerto sin

enfriamiento). Eficiencia del ciclo de compresión.

EQUIPO UTILIZADO

Compresor de movimiento alternativo marca. Gilkes, 1ª etapa

1



7mo SEMESTRE


DESARROLLO DE LA PRACTICA

1. Efectuar la lectura de la introducción teórica y de las instrucciones estudiando el procedimiento de arranque, operación y paro del equipo.

2. Poner en funcionamiento el equipo y efectuar las lecturas correspondientes.

INTRODUCCIÓN TEORICA

El aire comprimido se usa ampliamente en la industria, la construcción y en empresas de servicios. Un compresor es una máquina térmica conducida, en la que se proporciona potencia mecánica para comprimir un gas, esto es reducir su volumen y aumentar su presión. Si este proceso se realiza sin cambio en la temperatura se trata de una compresión isotérmica, si se realiza sin transferencia de calor es un proceso adiabático. El isotérmico no es práctico porque requeriría un proceso sumamente lento para ir retirando calor y conservar la temperatura. El adiabático es más práctico y cercano a la realidad pero requiere el suministro de mayor trabajo para su realización, por lo que en los compresores se procura retirar calor mediante enfriamiento para disminuir el requerimiento de energía por lo que el proceso real es más cercano a un politrópico intermedio entre los anteriores.

Existen diferentes tipos de compresores, los de tipo rotatorio comprenden a los centrífugos, los de paletas deslizantes, los de tornillo rotatorio, los de anillo líquido y los axiales. Los de movimiento alternativo tienen cilindros y émbolos y estos pueden ser de simple o de doble efecto (si comprimen solo de un lado del embolo o de los dos), con una o varias etapas de compresión, con enfriamiento por aire o por camisas de agua en los cilindros, con o sin Inter enfriador entre etapas de compresión y con o sin post enfriador, el compresor que usaremos en esta práctica es de este tipo, su descripción deberán obtenerla los alumnos por observación del equipo para incluirla en el punto 2 del reporte.

Representando un cilindro con su embolo y el diagrama presión vs volumen total de un compresor de movimiento alternativo, tenemos:

2



7mo SEMESTRE


V1 Volumen con el embolo en el punto muerto inferior

V3 Volumen con el embolo en el punto muerto superior

Vd Volumen desplazado

L Carrera del emboloA Area del embolo

Vem Volumen de espacio muerto

Va Volumen admitidoVex Volumen de la expansión

en el proceso 3 - 4

k Es la relación de calores espécificos del gas = cp / cv

C Es una constante

En un compresor de movimiento alternativo las válvulas se abren por diferencia de presiones. En la admisión la presión dentro del cilindro debe ser ligeramente inferior a la atmosférica para que se abra la válvula de admisión en el proceso teórico se considera despreciable esta caída de presión a la entrada.

La compresión en el proceso 1-2 se realiza hasta que la presión en el gas excede ligeramente a la presión que se tiene del otro lado de la válvula de salida, lo cual la abre y el gas sale del cilindro hasta que el embolo llega a su punto muerto superior, es decir el volumen que sale es igual a V2 – V3. Como se aprecia en la figura el volumen desplazado es:

Volumen desplazado Vd = L * A

Para que no exista choque del émbolo contra la culata del cilindro y se tenga espacio para las válvulas se requiere el volumen de espacio muerto Vem = V3, el gas que queda en este volumen se expande al moverse el embolo hacia el punto muerto inferior hasta llegar a una presión ligeramente menor a la presión atmosférica lo que abre la válvula de admisión, quedando con un volumen V4 y el volumen de expansión del proceso 3-4 es Vex = V4 – V3. El volumen que puede admitirse es:

3



7mo SEMESTRE


Volumen admitido Va = Vd – Vex

APLICACIÓN A UN COMPRESOR CON VARIOS CILINDROS

Para un compresor con una velocidad angular N, con una cantidad C de cilindros y cada cilindro con un número E de efectos, la cantidad de ciclos que se realizan por unidad de tiempo es = N * C * E, y el desplazamiento es:

Desplazamiento [m3 / s] D = L * A * N * C * E ---- 1

= Vd * N *C * E

En donde L [m], A [m2], N [rps]

La relación de presiones del compresor es:

rp = p_2 / p_1 ----2

En donde las presiones 1 y 2 son presiones absolutas

En el equipo del laboratorio se tiene una placa de orificio en la línea de salida del tanque de almacenamiento si el flujo que sale del tanque y el que entra al tanque son iguales la presión en el tanque se mantiene constante, por lo que regulando la salida del tanque con la válvula correspondiente se puede lograr que la presión se mantenga constante y en esas condiciones el orificio nos sirve también para determinar el flujo que está siendo suministrado por el compresor al tanque.

El flujo no se puede medir a la salida del compresor ya que es intermitente y el tanque además de servir para el almacenamiento también funciona como amortiguador. También en el tubo de salida del aire del tanque de almacenamiento se encuentran los sensores del manómetro diferencial que mide h y del manómetro que mide la presión después del orificio p_3, y los instrumentos se encuentran en el tablero del aparato, lo mismo que el selector del punto de medición de temperaturas y el termómetro con el cual podemos medir la temperatura antes del orificio t_3. Como h = p_4 – p_3, la presión antes del orificio será igual a:

p_4 = p_3 + h ---- 3

4



7mo SEMESTRE


En donde si p_3 es presión absoluta, también p_4 también lo será. Observar que estos puntos 3 y 4, no son los del diagrama p-v

Flujo másico de aire, en kg / s: fm = (6.305X–6) * (p_4 * h / T_3)0.5 -- 4

En la que T3 [K] es la temperatura absoluta antes del orificio p_4 [Pa abs] es la presión absoluta antes del orificio h [Pa abs] es la caída de presión en el orificio

La capacidad de aire libre de un compresor es el flujo volumétrico que se tiene de aire a la entrada del compresor en las condiciones del ambiente (libre), y se puede calcular conociendo el flujo másico con:

Capacidad de aire libre [m3 / s] Cap_AL = fm / dens ---- 5

En donde fm [kg / s], dens [kg / m3]

Y la densidad del aire ambiente la podemos determinar conforme a la ley general de los gases, con:

dens = p_atm / (R * T_amb) ---- 6

El rendimiento volumétrico de un compresor es:

Rend_v = Cap_AL / D ---- 7Usualmente se expresa en %

POTENCIA Y EFICIENCIA

En el siguiente diagrama se representa la potencia eléctrica que se suministra al motor eléctrico Pe, la potencia que se tiene en la flecha del motor eléctrico P fm, la potencia que le suministra la transmisión al compresor Pfc y la potencia indicada que se obtiene del compresor en el gas Pi:

5



7mo SEMESTRE


Como en cada componente existen pérdidas en la transformación o transmisión de energía por fricción y otras razones:

Pe > Pfm > Pfc > Pi> Pt

En donde Pt es la potencia teórica que se requeriría en un ciclo con procesos ideales. La eficiencia de cada uno de los componentes se obtiene con la relación de la potencia menor (de salida) entre la mayor (a la entrada)

POTENCIA ELECTRICA SUMINISTRADA [w]

Pe = V * I ---- 8

En donde V [volts] es la tensión eléctrica e, I [amperes] la corriente eléctrica, que se pueden medir con los instrumentos del tablero del equipo

POTENCIA EN LA FLECHA DEL MOTOR ELECTRICO [w]

Pfm = T *

---- 9

En donde T [N * m],es el par que se tiene en la flecha y [1/s] es la velocidad angular (en radianes / s). El par se puede determinar en el equipo ya que es igual a par que se tiene sobre el estator del motor y éste se puede medir debido a que está suspendido mediante cojinetes por el eje y el par se contrarresta con un brazo de palanca y una fuerza que ejerce un dinamómetro, esto es:

T = F * l ---- 10

6



7mo SEMESTRE


En la que: F [N] es la fuerza que se mide con el dinamómetro y l [m] es el el brazo de palanca desde el eje del motor hasta el dinamómetro.

La velocidad angular = Nm * 2 * ----11

En la que Nm [rps],es la velocidad de rotación del motor, que se puede determinar conociendo la velocidad del eje del compresor y conociendo la relación de transmisión

Nm = Nc * rt ----12

La velocidad de rotación del compresor Nc [rps],se obtiene a partir de la medición indicada en el instrumento del tablero del equipo.

Eficiencia del motor eléctrico Ef_m = Pfm / Pe ----13

POTENCIA EN LA FLECHA DEL COMPRESOR

Conociendo la eficiencia de la transmisión se puede determinar la potencia en la flecha del compresor a partir de la ecuación para la eficiencia mecánica de la transmisión:

Efm_t = Pfc / Pfm ---- 14

POTENCIA INDICADA DEL COMPRESOR

La potencia real o indicada obtenida en el gas se determina mediante el indicador que es un aparato en el que se puede obtener el diagrama p – V real de los procesos en uno de los cilindros:

7



7mo SEMESTRE


El área del diagrama AD, puede determinarse por mediciones, como se explicara mas adelante, y es equivalente al área del rectángulo en el que se tiene por base la longitud del diagrama LD y como altura hD. Las irregularidades en las líneas a presión constante se deben a efectos transitorios o vibraciones en las placas de las válvulas

La longitud del diagrama es proporcional a la carrera del embolo L y se obtiene mediante un mecanismo biela manivela que mediante un cordón acciona al cilindro que regresa mediante un resorte.

La altura de los puntos del diagrama son proporcionales a la presión que hay en el interior del cilindro, ya que en el aparato se tiene un pequeño embolo expuesto a la presión del interior del cilindro por una de sus caras y actuando contra un resorte mediante el vástago, que mueve al mecanismo de la punta que traza el diagrama. La presión por el área del embolo proporcionan la fuerza que actúa contra el resorte y la deformación que se obtiene es proporcional a la constante del resorte kr. En el rectángulo de área equivalente la altura de éste es proporcional a la presión media, por lo tanto:

Si se conoce AD [mm2] y LD [mm]: hD = AD / LD ---15

Y la presión representada por hD [mm] es la presión media efectiva p_me [Pa]:

p_me = hD * kr ---- 16

La potencia indicada [w] es:

Pi = p_me * D ---- 17

8



7mo SEMESTRE


En la que D [m3 / s] es el desplazamiento (ver ecuación 1).

La eficiencia del compresor es:

Ef_c = Pi / Pfc ----18

Para determinar el área del diagrama podemos dibujar líneas verticales a partir del extremo izquierdo, la primera con una separación de 1.5 mm y las siguientes con separaciones de 3 mm. Estas líneas representan las alturas medias de rectángulos con base de 3 mm por lo que midiendo su longitud: l_1, l_2, etc., el área [mm2] es = 3 * l_1 + 3 * l_2 + ...3 * l_N, por lo que:

AD = (l_1 + l_2 + ... + l_N) * 3 ---- 19

POTENCIA TEORICA OBTENIDA

La potencia teórica obtenida en el gas, es decir la que corresponde a un ciclo convencional con espacio muerto, sin enfriamiento es:

Pt = - [(k * fm * R * T1) / (1 – k)] * ((rp ^((k – 1) / k) –1) ---- 20

Y la eficiencia del ciclo de compresión es:

Ef_ciclo = Pt / Pi ---- 21

Obsérvese que si comparáramos el ciclo real con enfriamiento contra el teórico con enfriamiento el valor obtenido sería siempre menor a un 100%, ya que Pt debe ser menor que Pi, pero aquí lo estamos comparando contra el teórico sin enfriamiento ya que no conocemos el valor del exponente politrópico n y estamos empleando el exponente k, por lo que no sería absurdo obtener una Pt mayor que la Pi y una eficiencia mayor al 100 %.

9



7mo SEMESTRE


INSTRUCCIONES PARA LA PRÁCTICA

A. PREPARATIVOS PARA LA PRUEBA: ARRANQUE DEL EQUIPO

1. Conectar el aparato en la toma de electricidad y energizar el circuito en el tablero eléctrico del laboratorio.

2. Cerrar la válvula de la tubería de descarga del tanque de almacenamiento.

3. Encender el interruptor del equipo y regular la alimentación de energía al motor eléctrico hasta que el compresor alcance una velocidad de 500 rpm y vigilar la presión dentro del tanque p_2, hasta que llegue cerca de la presión que asigne el profesor al equipo de trabajo (40 a 50 psig)

4. Abrir ligeramente la válvula para que salga un flujo de aire a través de la tubería en donde se encuentra la placa de orificio, y regular la apertura de modo que la presión 2 se mantenga mas o menos constante cercana al valor asignado.

5. Esperar 15 minutos para que se estabilicen las temperaturas.

B. AJUSTES Y MEDICIONES DE PRUEBA1. Cerrar la válvula y colocar el regulador de la alimentación de energía al

motor en cero.2. Colocar el papel en el indicador.3. Tensar la cordón de la transmisión al indicador mediante el giro de éste

hasta que su resorte lo tense y fijarlo en esta posición.4. Regular la alimentación de energía al motor eléctrico hasta que se

obtenga nuevamente la velocidad de 500 rpm y regular la apertura de la válvula hasta obtener la presión asignada p_2 en forma constante.

5. Esperar 5 minutos para que se estabilicen las temperaturas y la p_2. Si es necesario hacer ajustes en la apertura de la válvula hacerlos muy pequeños.

6. Registrar las lecturas de mediciones conforme a las instrucciones para el reporte.

C. PARO DEL EQUIPO

1. Colocar el regulador de alimentación de energía al motor eléctrico en cero.

2. Apagar el interruptor del equipo3. Dejar la válvula de salida del tanque de almacenamiento en la posición en

que quedo (ligeramente abierta).

10



7mo SEMESTRE


4. Desenergizar el circuito en el tablero del laboratorio y desconectar el enchufe del aparato.

DIAGRAMA DE TUBERÍA E INSTRUMENTACIÓN DEL EQUIPO

Estos diagramas, se elaboran para los sistemas mecánicos de las instalaciones industriales. En este caso deberá incluir lo siguiente:

COMPONENTES:

Toma de aire Compresor Tanque Válvula Placa de orificio Transmisión Motor eléctrico

INSTRUMENTOS

Los manómetros para la medición de la presión a la entrada del compresor, A la salida del compresor, después del orificio y el manómetro diferencial del orificio.

Los elementos primarios de los termómetros y el indicador de temperatura del tablero, que miden las temperaturas a la entrada del compresor, a la salida del compresor y antes del orificio.

El dinamómetro del motor El indicador La válvula de seguridad del tanque El odómetro para la medición de la velocidad de la flecha del compresor

Los símbolos a emplear de acuerdo a las normas para el efecto son:

11



7mo SEMESTRE


En los instrumentos, NN es el tipo de elemento y n es el número del instrumento. En esta práctica se anotarán lo números con los que se identifican en el equipo. Ejemplo para la p_1, el instrumento es un indicador de presión en el tablero local y entonces NN es PI, y n es 1, la línea de conexión se coloca en la línea de entrada del fluido al compresor y se usa el símbolo de instrumento en tablero local.

12



7mo SEMESTRE


Para el punto 5 del reporte, los datos y mediciones se deberán incluir son los siguientes:

DATOS CONCEPTO Unid. conversiones

Cantidad de cilindros C = 2Cant de efectos de cada cilindro E = 1Diámetro de los cilindros d = 2 5/8 plg mCarrera del embolo L = 2 1/2 plg mPresión atmosférica Cd. Mexico p_atm= 78,000 Pa absBrazo de palanca del dinamómetro del motor eléctrico l = 0.18 mRelación de transmisión rt = 3.5Eficiencia mecánica de la transmisión Efm_t = 95 %Inverso de la constante del resorte del indicador (1) 1 / kr = 30 / 12

mm /bar mm / Pa

Constante del gas (aire)R = 0.287

J / (kg * K)

Relación de calores específicos del aire k =

(1) Valor grabado en el indicador. Observarlo(2) Obtener el valor en un libro de termodinámica u otra referencia confiable

13



7mo SEMESTRE


MEDICIONES

CONCEPTOUnidades

CONVERSIONES

Presión man. a la entrada del compresor p_1 = 25mm c. a. Pa abs

Presión man. en el tanque y a la salida del compresor p_2 = psig Pa abs

Presión man después del orificio p_3 = 0.96mm c. a.

Pa abs

Caida de presión en el orificio h = 749.00mm c. a PaTemperatura ambiente t_0 = 2.66°C K

Temperatura a la entrada del compresor t_1 = 35°C K

Temperatura a la salida del compresor t_2 = 1.50°C K

Temperatura antes del orificio t_3 = 0.19°C KVelocidad del compresor N_c = 90,000rpm rps

Fuerza en el dinamómetro del motor F = 27,000N

Tensión eléctrica V = 89.4voltsIntensidad de corriente I = 31amp

(1) milímetros de columna de agua

Para el punto 6, a partir de los datos y las mediciones, hacemos las conversiones al SI , y obtenemos presiones y temperaturas absolutas, en las unidades indicadas en las tablas correspondientes y hacemos los cálculos que se indican en el punto 4 de los objetivos. Se sugiere el siguiente procedimiento, con referencia a las ecuaciones indicadas en la introducción teórica:

De la ecuación

Obtener Resultado Unidades

1 Desplazamiento (1) D =2 Presión abs antes del orificio p_4a = 3 Relación de presiones rp =4 Flujo másico de aire fm =6 Densidad del aire ambiente dens =5 Capacidad de aire libre Cap_AL =7 Rendimiento volumétrico Rend_v =

14



7mo SEMESTRE


= %POTENCIA Y EFICIENCIA

8 Potencia eléctrica suministrada Pe =9 Potencia en la flecha del motor Pfm =

10 Par en la flecha del motor T =12 Velocidad de rotación del motor Nm =11 Velocidad angular del motor =13 Eficiencia del motor Ef_m =

= %14 Potencia en la flecha del

compresor Pfc =19 Area del diagrama (2) AD =15 Altura del rectángulo con area = AD hD =16 Presión media efectiva p_me =17 Potencia indicada Pi =18 Eficiencia del compresor Ef_c =

= %20 Potencia teórica obtenida Pt =21 Eficiencia del ciclo de

compresiónEf_ciclo =

= %

Notas: (1) El área A del embolo se calcula a partir del diámetro d del embolo. (2) Para el área AD del diagrama, ver la explicación antes de la ecuación 19

Para el punto 7, la Bibliografía deberá incluir a las fuentes de consulta utilizadas para el punto 3 del reporte.

REPORTE

El reporte de los equipos de trabajo debe contener los siguientes puntos, mismos que junto con las asistencias y la oportunidad de la entrega del mismo, servirán de base para la calificación:

Carátula con los siguientes datos : Instituto, Escuela, Unidad, número y titulo de la práctica, grupo, equipo, nombres de los integrantes del equipo y fecha de entrega.

Contenido:1. Objetivos.2. Descripción del equipo.3. Resumen sobre usos del aire comprimido, 4. Diagrama de tubería e instrumentación (de la primera etapa del equipo).5. Lecturas y datos.6. Cálculos.7. Bibliografía.

15



7mo SEMESTRE


INSTRUCCIONES PARA EL REPORTE

No se requiere copiar este documento en el reporte, de él se tomarán solo las partes que se señalen en lo que sigue.

Los objetivos son los indicados al principio de este documento (no se requiere

desarrollarlos).

Se deberá hacer la descripción del equipo a partir de la observación del mismo, anotando el tipo de compresor, la cantidad de cilindros, la cantidad de efectos de cada cilindro, el tipo de enfriamiento de los cilindros, el tipo de motor y de transmisión para su accionamiento y los componentes después de la descarga. No se requiere la descripción de la instrumentación.

Los alumnos deberán efectuar una investigación sobre los usos del aire comprimido en la industria, la construcción y las empresas de servicios.

16

Practica Compresor

Documents

Transcript of Practica Compresor