UNIDAD 5. COMPRESORES

MAQUINAS & EQUIPOS TERMICOS II.

I.I.M. CHUC BAQUEDANO BALTAZAR ABIMAEL.

INTEGRANTES:• CAUICH PECH LUIS ÁNGEL.• CHAN MOO JOSÉ MARÍA.• ARAGÓN SERRANO LEONEL RAFAEL.• PERALTA POOL JAVIER.• ROMERO PARRA RICHARD DE JESÚS.

INTRODUCCIÓN Aplicaciones del aire comprimido. El aire comprimido tiene

una infinidad de aplicaciones, debido a su adaptabilidad y facilidad de transporte.

Una importante aplicación es:

Accionamiento de taladros.

Martillos chorros de arena.

Controles.

Pulverizadores.

Bombas.

La compresión del aire constituye un factor capital en el funcionamiento de los motores de combustión interna y turbinas de gas.

Para el transporte de gas natural y otros gases mediante tuberías, se utilizan compresores muy parecidos a los empleados para el aire.

La obtención del oxigeno, nitrógeno y gases raros se efectúa comprimiéndolos y a continuación enfriándolos hasta alcanzar el punte de licuefacción.

LA PRESION RELATIVA

para los controles neumáticos es de 0.07 a 1.05 kg/cm²

para las herramientas neumáticas 5 a 6.5 kg/cm²

para motores de aire, 3 a 7 kg/cm², si el aire se expansiona

y para la licuefacción del aire como medio para separar sus componentes, de 140 a 245 kg/cm²

5.1 Clasificación

Para producir aire a bajas presiones, inferiores a 385 mm de agua, se utilizan generalmente ventiladores, por encima de este valor se emplean varios tipos de compresores y ventiladores, los cuales pueden clasificarse como sigue:

I. De desplazamiento positivo:

1. Compresores de émbolo.

2. Ventiladores – compresores.

3. Ventiladores – no compresores.

 

II. De desplazamiento no positivo, o dinámicos:

4. Ventiladores centrífugos de flujo radial.

5. Compresores de flujo axial.

6. Compresores de flujo mixto.

Los compresores de émbolo tienen válvulas de admisión y de escape y un pistón y la correspondiente lubricación de los anillos y paredes del cilindro.

Por esta razón el aire comprimido contiene cierta cantidad de aceite de engrase.

Los compresores y ventiladores centrífugos carecen de válvulas y no necesitan lubricación interna, debido a que no hay contacto entre metal y metal.

Terminología de los compresores

de aire. Aire libre. Es el que existe en las condiciones de presión y temperatura reinantes en la aspiración de compresor.

Capacidad. Es la cantidad de aire libre realmente aspirado por un compresor. Generalmente se expresa en m³/min.

Desplazamiento del émbolo. Es el volumen (m³) obtenido multiplicando la superficie del émbolo (m²) por la carrera (m) de émbolo.

Desplazamiento por minuto. Es el producto del desplazamiento del émbolo por las revoluciones por minuto.

Compresor ideal de émbolo.

La palabra ideal supone que no existan pérdidas por rozamientos, que el gas comprimido sea perfecto, y que no haya espacios perjudiciales en el cilindro.

En la figura se representa un compresor de esta clase:

La superficie sombreada 1 – 2 – 3 – 4 – 1 es el trabajo que hay que efectuar para comprimir y descargar un volumen V1 de aire libre; V1 es también el desplazamiento de este compresor ideal de simple efecto, y se representa por la longitud del segmento rectilíneo 4 – 1.

Compresor ideal de varios

escalonamientos Los compresores se construyen en varios escalonamientos, de suerte que

entre ellos pueden intercalarse refrigeradores.

Si bien es cierto que en todos los cilindros puede haber camisas de agua, éstas no bastan para enfriar adecuadamente el gas si no se le hace pasar por los refrigeradores instalados entre los escalonamientos.

Además de las hipótesis corrientes en la compresión isoentrópica, el compresor ideal con varios escalonamientos supone un control perfecto de presión y de transmisión de calor en los inter refrigeradores.

En la figura aparecen los diagramas correspondientes a los cilindros de baja y alta presión de un compresor de simple efecto, pero con dos escalonamientos.

Compresores centrífugos. Son máquinas de elevada velocidad (3 000 a 40 000 r.p.m.), y

frecuentemente son accionadas por turbinas de características de velocidad similares.

Consiste en un impulsor rotatorio y en uno o más pasos divergentes, a cuyo través, se descarga el aire. El aire es aspirado por el “oído” del impulsor y recibe un movimiento tangencial de gran velocidad mediante las paletas del impulsor, siendo lanzado hacia afuera por la fuerza centrífuga.

Compresores de flujo axial.

Los resultados obtenidos con las experiencias llevadas a cabo con los perfiles aerodinámicos en los túneles de ensayos han dado como resultado que el compresor axial (Figura 232) se haya colocado a la cabeza de los tipos utilizados en las turbinas de gas.

Con este tipo de compresor se alcanzan rendimientos isoentrópico de 85 a 90 %; los valores máximos se obtienen con los compresores de gran tamaño.

5.2 ANALISIS DE LA PRIMERA LEY DE LA TERMODINAMICA EN UN COMPRESOR

RECIPROCANTE Y CENTRIFUGOS.

El primer principio de la Termodinámica expresa que el calor que se le entrega a un sistema se invierte totalmente en aumentar su energía interna y en realizar trabajo exterior:

δQ = dU + δW

O por unidad de peso:

δq = du + δw

Aplicado a un ciclo, expresa que el trabajo realizado por un sistema en un ciclo es igual al calor intercambiado por el mismo:

Si se consideran dos condiciones A y B de un sistema y dos procesos (1) y (2) que llevan de una a otra (ver figura 1.2) se deduce que por cualquiera de ellos ∫A

B(δQ − δW ) toma el mismo valor, por lo que δQ - δW es un diferencial exacto.

Otra consecuencia importante del 1er principio es la relación entre trabajo intercambiado y cambio de volumen.

Sea un cuerpo homogéneo de volumen V sometido a una presión uniforme p. Si a dicho cuerpo se le entrega una cierta cantidad de calor δQ se dilatará hasta ocupar un volumen V + dV, realizándose por lo tanto un trabajo δW. Llamando dA a un elemento de la superficie exterior de ese cuerpo, y ds su desplazamiento durante la expansión, el trabajo δW vale:

δW = ∫A pdsdA

Suponiendo que p se mantiene uniforme y constante:

δW = p∫AdsdA = p.dV A

El trabajo realizado cuando el cuerpo pasa de un volumen V1 a un volumen V2 vale:

5.3 COMPRESIÓN MULTIETAPICA CON ENFRIAMIENTO

INTERMEDIO. Otra modificación del ciclo de refrigeración por

compresión de vapor consiste en la compresión en etapas múltiples con enfriamiento intermedio para disminuir la entrada de trabajo.

Cuando el fluido de trabajo utilizado en el sistema de refrigeración en cascada es el mismo, el intercambiador de calor entre las etapas puede sustituirse por un intercambiador de calor regenerativo, ya que éste cuenta con mejores características de transferencia de calor.

La Figura 3.18 muestra un esquema para el ciclo de compresión en dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo. El líquido que sale del condensador se estrangula (proceso 5-6) al entrar a una cámara de expansión mantenida a presión intermedia entre la presiones del evaporador y el condensador.

Todo el vapor que se separa del líquido en la cámara de expansión se transfiere a una cámara de mezclado, donde se mezcla con el vapor que sale del compresor de baja presión en el estado 2.

La cámara de mezclado actúa como un enfriador intermedio regenerativo, pues enfría el vapor que sale del compresor de baja presión antes que toda la mezcla entre la etapa de alta presión del compresor en el estado 3.

El líquido saturado de la cámara de expansión se estrangula al pasar a la presión del evaporador en el estado 9.

El proceso de compresión de dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo se muestra en un diagrama Ts en la Figura 3.18, en la cual se ha supuesto compresión isotrópica. Aunque el mismo refrigerante circula en ambos circuitos de todo el sistema, los flujos en cada circuito no son iguales.

  Con objeto de analizar el sistema conviene suponer que en uno de los circuitos circula la unidad de masa. En este análisis supongamos que la unidad de masa pasa por los estados 3-4-5-6 del circuito de alta presión.

La fracción de vapor formado en la cámara de expansión es la calidad x del fluido en el estado 6 de la figura 3.18 y ésta es la fracción del flujo que pasa por el condensador que atraviesa la cámara de mezclado.

La fracción del líquido que se forma es (1-x) y es la fracción del flujo total que pasa por el evaporador.

Se puede evaluar la entalpía en el estado 3 por medio de un balance de energía en la cámara de mezclado en condiciones adiabáticas:

en la que h3 es la única incógnita. El efecto de refrigeración por unidad de masa que pasa por el evaporador es:

La entrada total de trabajo al compresor por unidad de masa que pasa por el condensador es la suma de las cantidades para las dos etapas, es decir,

El coeficiente de funcionamiento del ciclo de compresión de vapor en dos etapas con enfriamiento intermedio regenerativo se define como qrefrig/wcomp.

5.4 Eficiencia isotérmica del compresor.

5.6 Eficiencia poli trópica

del compresor.MAQUINAS Y EQUIPOS TERMICOS 2

En un proceso real, la compresión no es isetrópica debida a que existen irreversibilidades de tipo termodinámico, hay intercambio de calor con el exterior y además hay rozamiento mecánico entre las piezas móviles, que también aportan calor.

Estas imperfecciones conducen a que la relación entre la variación de la temperatura y la presión deba escribirse de la siguiente forma:

Donde n es el índice de la politrópica de compresión.

Si el compresor esta mal refrigerado, el índice de la politrópica será mayor que el de la isentrópica (n>k) y el trabajo de compresión será mayor que el isentrópico. A medida que aumenta la eficiencia de la refrigeración, disminuye el valor del índice de la politrópica y disminuye el trabajo de compresión.

Con lo cual, teniendo en cuenta también la compresibilidad del gas, el trabajo interno por unidad de masa, vendrá dado por:

La eficiencia politrópica se define como la relación entre el trabajo necesario para comprimir un gas desde la presión hasta la presión a través de un proceso politrópico reversible y la energía realmente consumida.

5.7 Trabajo ideal del compresor

Supóngase que el ciclo del compresor es el de la Fig. 2.7, donde 4-1y 2-3 son procesos a presión constante. En abscisas se representa el volumen V de gas encerrado en la cámara de compresión.

Para el proceso de compresión 1-2, el volumen V es proporcional al volumen especifico:

V = v . G1

siendo G1

el peso del gas atrapado en el punto 1.

Análogamente para el proceso 3-4. Se cumplirá, en el proceso 1-2 :

5.8 TRABAJO REAL DEL COMPRESOR.

El trabajo que se debe dar al compresor para que realice este ciclo, es la suma algebraica de los trabajos de cada proceso, por lo que el trabajo total es igual a la suma del trabajo de aspiración, más el trabajo de compresión, más el trabajo de descarga.

Podemos analizar estos trabajos, suponiendo diferentes procesos de compresión:

a) Compresión isoterma.

(Compresión a temperatura constante, por tanto, con refrigeración perfecta). Si aplicamos el primer principio de la termodinámica para sistemas cerrados:

Como para los gases ideales, la energía interna sólo depende de la temperatura, y ésta no varía, nos queda:

Es decir el trabajo que se ha de realizar sobre el fluido, en el proceso de compresión, es igual al calor extraído al fluido para mantener constante su temperatura.

b) Compresión adiabática.

(Compresión sin refrigeración). Si aplicamos el primer principio de la termodinámica para sistemas cerrados:

Como no hay transferencia de calor, nos queda que:

Es decir, el trabajo que se ha de realizar sobre el fluido, en el proceso de compresión es igual al incremento de energía interna que sufre el fluido. Podemos calcularlo por:

c) Compresión politrópica.

En la realidad, no se da, ni una ni otra de las evoluciones anteriores; lo que se consigue es una intermedia, es decir una compresión con refrigeración imperfecta, que realmente la podemos describir como una compresión politrópica con un exponente n, comprendido entre:

1 < n < 1,4

Usualmente, para compresores pequeños refrigerados por aire:

n = 1,35

Para compresores medianos refrigerados por agua:

1,2 < n < 1,3

La ecuación de la politrópica para el trabajo y potencia, es respectivamente:

Si realizáramos un estudio energético, de todos los procesos, veríamos que el que gasta menos energía es el proceso isotérmico, por lo que nosotros elegiremos compresores que se acerquen lo más posible a este tipo de proceso.