Termodinámica de los compresores de gas

Termodinámica Técnica IIEmilio Rivera Chávez

Septiembre 2007 - agosto 2009

¿Que es un Compresor de Gas?What is a Gas Compressor?

• Un compresor de gas es un dispositivo mecánico que aumenta la presión de un gas reduciendo su volumen.

• La compresión de un gas naturalmente aumenta su temperatura.

Un compresor es a los gases … lo que una bomba es a los

líquidos

Proceso deCompresión

Gas baja presión

Gas Alta presiónEntrada de

gas de aspiración

Descarga de gas

comprimido

p1

T1

ρ1

p2

T2

ρ2

p2>>p1T2 > T1

¿Que es un Compresor de Gas?What is a Gas Compressor?

Tipos de compresores

Hay muchos tipos diferentes de compresores de gas. Los tipos más importantes son:

• Compresores centrífugos

• Compresores de flujo Axial

• Compresores Reciprocantes

Compresores centrífugos

Centrifugal compressors

• Los compresores centrífugos impulsan y comprimen los gases mediante discos rotativos provistos de álabes en su periferia dentro de una carcasa que fuerza al gas incrementando su velocidad.

• Un difusor convierte la energía cinética en energía de presión.

• Esos compresores son usados principalmente para servicio continuo estacionario en instalaciones industriales, tales como refinerías de petróleo, plantas químicas y petroquímicas y plantas de procesamiento de gas natural. Sus aplicaciones pueden ser desde 75 kW (100 hp) hasta miles de kW.

• Con múltiples etapas estás máquinas pueden alcanzar presiones de salida extremadamente altas de hasta 69 MPa (10000 psi).

Compresor Rotativo (Turbina a gas)

Compresores de flujo Axial

Axial-flow compressors

• Los compresores del flujo axial usan una serie de rotores giratorios provistos de alabes para comprimir el flujo de gas progresivamente. Alabes estacionarias, localizados aguas abajo de cada rotor, redireccionan el flujo hacia el próximo conjunto de alabes del próximo rotor.

• El área del pasaje de gas disminuye a través del compresor para mantener un número de Mach axial aproximadamente constante.

• Normalmente se usan los compresores del axial-flujo en las aplicaciones de flujo, tal como los grandes motores de turbinas de gas.

• Estos compresores son casi siempre multi-etapa.

Compresores Reciprocantes

Reciprocating compressors

• Los compresores reciprocantes usan pistones impulsados por un mecanismo de biela manivela.

• Puede ser: Estacionarios o portátiles, de simple o múltiple etapa, de simple o doble efecto, e impulsados por ME o MCI.

• Compresores reciprocantes desde 5 hasta 30 hp son comúnmente vistos en aplicaciones automotrices y son típicamente para servicio intermitente.

• Compresores arriba de 1000 hp son aún comúnmente encontrados en grandes aplicaciones industriales, aunque su número esta declinando.

• El rango de presiones de descarga puede estar desde baja presión hasta muy alta presión (> 35 Mpa o 5000 psi).

Compresores Reciprocantes

Reciprocating compressors

Ciclo teórico de un compresor alternativo

Ciclo de trabajo teórico de un compresor ideal, sinpérdidas, sin espació muerto y con un gas ideal.

PMI PMS

Aspiración

Descarga

Compresión

1

23

4

pVk=Cte

Ciclo de trabajo real de un compresor, con espacio muerto y pérdidas.

VD

Aspiración

Compresión

1

3

4

pVk=Cte2

V

Descarga

PMI PMS

Reexpansión

Ciclo real-volumen de desplazamiento

Ciclo de trabajo teórico

1

COMPRESION POR ETAPAS

La relación entre la presión descarga p2 y la presión admisión p1, teóricamente puede tener cualquier valor. En la práctica, las relaciones de presión muy altas requerirían de un compresor de gran tamaño y;Debido a que todo proceso de compresión implica un incremento de la temperatura del fluido que se comprime, es muy probable que en estos casos estas altas temperaturas afectarían a la máquina. (tanto en el aspecto mecánico como de lubricación).

Por estas consideraciones técnicas, en compresores de una sola etapa la relación de compresión suele estar limitada a un máximo de 3,5 a 4.

COMPRESION POR ETAPAS

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 a 4.

… un proceso de compresión por

etapas es simplemente la

compresión del gas en dos o mas

cilindros en lugar de un solo

cilindro …

… y se emplea por razones técnicas:

Para ahorrar energía y para limitar la

temperatura de descarga del gas.

COMPRESION POR ETAPAS

La compresión genera calor,

El ínter enfriador, entre cada etapa, permite un proceso de compresión mas adiabático e isotérmico.

Por ejemplo si cada etapa tiene una razón compresión de 7 a 1, el compresor puede descargar 343 veces la presión atmosférica (7 x 7 x 7 = 343 Atmósferas).

ncompresornasipiarció

compresoradesci p

pr

−

−= arg

COMPRESION EN DOS ETAPAS

1

2 34

Aire atmosférico

CILINDRO DE BAJA PRESION

Agua caliente

Agua fría

INTERENFRIADOR

CILINDRO DE ALTA PRESION

Aire comprimido, al tanque de almacenamiento

PRIMERA ETAPA SEGUNDA ETAPA

COMPRESION EN DOS ETAPAS

p

p1

pi

VDL

1

23

4

VIcVDL

p4

VDHcVDH

PVn=C

PV=cte.

V s

T

1

2

3

4

pi

p1

p4

Presión de aspiración

Presión de descarga

Aplicaciones

• Los compresores de gas se usan en varias aplicaciones en las que se necesitan ya sea altas presiones o bajos volúmenes de gas:

• En el transporte por tuberías de gas natural purificado, para mover el gas del sitio de la producción al lugar de consumo.

• En las refinerías de petróleo, plantas de procesamiento de gas natural, plantas petroquímicas y químicas, y plantas industriales similares para la obtención intermedia y como producto final de gas comprimido.

• En equipos de refrigeración y aire acondicionado para mover el calor de un lugar a otro en ciclos de refrigeración

• En los sistemas de turbina de gas para comprimir el aire que ingresa a la combustión.

• En variedad de industrias, en los procesos de fabricación y construcción, para impulsar todos los tipos de herramientas neumáticas.

• Como un medio por transferir la energía, tal como impulsar equipo neumático.

• En el presurizado de aviones para proporcionar una atmósfera respirable superior a la presión ambiente.

• En algunos tipos de motores de reacción (como los turborreactores y turbohélice) para proporcionar el aire requerido para la combustión del combustible del motor.

• En turbocargadores para incrementar el rendimiento de los motores de combustión interna por concentración de oxigeno

Aplicaciones

Temperatura

• La ley de Ley de Charles, dice que:

“Cuando un gas es comprimido, la temperatura aumenta".

Hay tres relaciones posibles entre la temperatura y la presión en un volumen de gas que es sometido a compresión:

• Isotérmico • Adiabático• Isentrópico

Compresión Isotérmica

• El gas permanece a temperatura constante a través del proceso.

• La energía interna es removida del sistema en forma de calor a la misma velocidad que es “añadida” por el trabajo mecánico de compresión.

• La compresión o expansión isotérmica es favorecida por una gran superficie de intercambio de calor, un volumen pequeño de gas, o un lapso tiempo largo.

• La compresión isotérmica no es usualmente posible en dispositivos reales.

23/02/2010 Emilio Rivera Chávez Ingeniería Mecánica 2007

21

Compresión adiabática

• En este proceso no hay transferencia de calor entre el sistema y su entorno, y todo el trabajo añadido es agregado a la energía interna del gas, resultando un incremento de temperatura y presión.

• Teóricamente el incremento de temperatura es:

•

• con T1 yT2 en grados Rankine o kelvin,

• K.- razon de calores específicos k=01.4 para el aire estandar

• La compresión o expansión adiabática es favorecida por el buen aislamiento, un gran volumen de gas, o un lapso corto de tiempo,

• En la practica siempre habrá una cierta cantidad de flujo de calor, pues hacer un sistema adiabático perfecto requeriría un perfecto aislamiento térmico de todas las partes de una máquina.

( ) kk

crTT1

12

−=

Compresión Politrópica

• Esto supone que calor puede entrar o salir del sistema, y que el trabajo en el eje que entra al sistema puede aumentar la presión y la temperatura por encima del adiabático

•

Eficiencia isentrópica

• La eficiencia isentrópica de un compresor se define como la relación entre el trabajo de entrada requerido para elevar la presión de un gas a un valor especificado de una manera isentrópica y el trabajo de entrada real:

•h

h2real

h2isen

h1

s2isen = s1

1

2isen

2real

p2 (salida)

p1 (entrada)

Proceso real (adiabático)

Proceso isentrópico

wisen

wreal

Diagrama h-s en el que se muestran los procesos real eisentrópico de un compresor adiabático.

compresordelrealTrabajocompresordeloisentrópicTrabajo

c=η