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DIMENSIONAMIENTO DE COMPRESOR Evelyn Gabriela Lema Vinueza. Departamento Departamento de Eléctrica y Electrónica, Escuela Politécnica del Ejército Ejército
—.The air handli handling ng compr compress essibl iblee fluid fluid has to be a Abstract—.The special for a compressor is suitably selected as necessary to know volumnes change in function of pressure and temperature. Then you know as manufacturers have their Compressor specifications under which rules are governed to relate these findings to our operational needs.
I. I NTRODUCCIÓN n compresor es una máquina que eleva la presión de un gas, un vapor o una mezcla de gases y vapores. La presió presiónn del fluido fluido se eleva eleva reduci reduciend endoo el volum volumen en específico del mismo durante su paso a través del compresor. Comparados con turbo soplantes y ventiladores centrífugos o de circulación axial, en cuanto a la presión de salida, los compresores se clasifican generalmente como maquinas de alta alta presió presión, n, mient mientras ras que los ventil ventilado adores res y soplan soplantes tes se consideran de baja presión. Los compresores se emplean para aumentar la presión de una gran variedad de gases y vapores para un gran número de aplicaciones. Un caso común es el compresor de aire, que suministra aire a elevada presión para transporte, pintura a pistola, inflamiento de neumáticos, limpieza, herramientas neumáticas y perforadoras. Otro es el compresor de refrigeración, empleado para comprimir el gas del vaporizador. vaporizador. Otras aplicaciones abarcan procesos químicos, conducción de gases, turbinas de gas y construcción.
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Los compre compresor sores es se emplea empleann para para aument aumentar ar la presió presiónn de una gran variedad de gases y vapores para un gran número de aplica aplicacio ciones nes.. Un caso caso común común es el compre compresor sor de aire, aire, que suministra aire a elevada presión para transporte, pintura a pistola, inflamiento de neumáticos, limpieza, herramientas neumáticas y perforadoras. Otro es el compresor de refrigeración, eración, empleado empleado para comprimi comprimirr el gas del vaporiz vaporizador ador.. Otras aplicaciones abarcan procesos químicos, conducción de gases, turbinas de gas y construcción. Al igual que las bombas, los compresores también desplazan fluidos, pero a diferencia de las primeras que son máquinas hidráulicas, éstos son máquinas térmicas, ya que su fluido de trabaj trabajoo es compre compresib sible, le, sufre sufre un cambio cambio apreci apreciabl ablee de densidad y, generalmente, también de temperatura; a diferencia de los venti ventilad ladore oress y los soplad sopladore ores, s, los cuales cuales imp impuls ulsan an fluidos compresibles, pero no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable.
II. O BJETIVOS Elejir un compresor de acuerdo a la necesidad de la aplicación en la cual se este trabajando. A. Objetivos Generales •
Analizar distintas aplicaciones de la neumática en donde los compresores juegan un papel importante.
B. Objetivos Específicos •
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Utilizar un modelo matemático y tablas de fabricantes para escoger el compresor. Analizar diferentes diferentes tipos de compresores desde su diseño. diseño.
Figura 1. Esquema de la Unidad de Mantenimiento. IV. MARCO T EÓRICO En la siguiente seccion se muestra algunos de los compresores mas usados tanto en el mercado como en ingeniería. A. Neumática
La neumática es la tecnología que emplea el aire comprimido como modo de transmisión de la energía necesaria para mover y hacer funcionar mecanismos. El aire es un material elástico y, por tanto, al aplicarle una fuerza se comprime, mantiene esta compresión y devuelve la energía acumulada cuando se le permite expandirse, según dicta la ley de los gases ideales.
III. I NTRODUCCIÓN Un compresor es una máquina que eleva la presión de un gas, un vapor o una mezcla de gases y vapores. La presión del fluido se eleva reduciendo el volumen específico del mismo durante su paso a través del compresor. Comparados con turbo soplantes y ventiladores centrífugos o de circulación axial, en compresores cuanto a la presión de salida, los compresores se clasifican B. Tipos de compresores generalmente como maquinas de alta presión, mientras que Los compresores se clasifican por la forma de obtener el los ventiladores y soplantes se consideran de baja presión. aumento de energía interna. Hay dos grandes grupos: los de
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desplazamiento positivo y los dinámicos. En los del primer grupo el aumento de presión se consigue disminuyendo el volumen de una determinada masa de gas. En los del segundo, el concepto cambia, el aumento de presió presiónn surge surge como como consec consecuen uencia cia del aument aumentoo de energ energía ía cinéti cinética, ca, que ha conse consegui guido do comuni comunicár cársel selee al gas. gas. Dentro Dentro de estos grandes, existen subgrupos con características bien definidas, en cuanto a su principio de funcionamiento y a su comportamiento. Se nombran en la figura siguiente todos los tipos.
En el compresor de ébolo oscilante, el caudal teórico es igual al producto de la cilindrada* velocidad de rotación. El caudad efectivo depende de la construcción del compresor y de la presión.
Figura 5.1. Compresor émbolo oscilante Es interesante conocer el caudad efectivo del compresor. Solo este es el que acciona y regula los equipos neumáticos. B. Presión
Figura 1. Tipos de compresores V. PROCEDIMIENTO La utilización de uno u otro tipo de compresor dependerá, en gran medida, de las necesidades de la instalación en cuanto a caudal y presión del aire comprimido, siendo importante tambié tambiénn conoce conocerr el campo campo de aplica aplicació ciónn de cada cada tipo tipo de compresor, para elegir el más adecuado. Las necesidades de caudal y presión de aire comprimido conducen a elegir la potenc pot encia ia adecua adecuada da del compre compresor sor,, ya que cada cada compre compresor sor es capaz de garantizar un caudal y una presión determinada con una potencia diferente. Para calcular las necesidades de aire comprimido en el taller se deben tener en cuenta, en primer lugar, todos los equipos neumáticos con los que se cuente en las distintas áreas, carrocería, pintura y mecánica. De cada herramienta neumática se toman sus datos característicos de presión y consumo de aire (l/min). La presión requerida para la instalación está determinada por la mayor de todas las presi presione oness caract caracterí erísti sticas cas de cada cada equipo equipo.. El caudal caudal de aire se calcula sumando el requerido para cada herramienta indiv ind ividu idual, al, lo que result resultaa en las necesi necesidad dades es máxim máximas as de caudal de aire, y aplicando unos coeficientes para adecuar el consumo máximo teórico a la realidad de cada taller, pues no todos los equipos funcionan simultáneamente. A continuación se detallan los criterios a tomar al momento de elegir un compresor A. Caudal
Po el caudal que atraviesa por las tuberías. Para comprender de mejor manera este concepto se divide en dos. Caudal Teórico Caudad Efectivo o real • •
La presión de servicio es la suministrada por el compresor o acumulador y existe e las tuberías que alimentan a las consumidores. La presión de trabajo es la necesaria en el puesto de trabajo considerado. Importante para garantizar un funcionamiento fiable y preciso es necesario que la presión tenga un valor contante. De esta depende: Velocidad Fuerzas Desarrollo secuencial de las fases de los elementos de trabajo • • •
Figura 5.2. Compresor de alimentación industrial. C. Accionami Accionamiento ento
Los compreso compresores res se accionan accionan,, segun segun las exigencias, exigencias, por medio de un motor eléctrico o de explosión interna. en la industria, en la mayoría de los compresores se arrastran por medio de un motor eléctrico. Si se trata de un compresor móvil, este en la mayoría de los casos se acciona por medio de un motor de combustión interna.
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Figura 5.5. Regulación por escape a la atmósfera
Figura 5.3. Compresor con motor de conbustion interna D. Regulacion Regulacion
Figura 5.6. Regulación por aislamiento
Al objetivo de adaptar el caudal sumistrado por el compresor al consumo que fluctua, se debe procede a siertas regulaciones E. Refrigeracion Refrigeracion de compresor. Existen diferentes clases de regulaciones, el Por efecto de la compensación del aire se desarrolla callor caudal varia dentro de los limites ajustados.(presion maxima que debe evacuarse. De acuerdo con la cantidad de calor que y minima). se desarrolle, se adoptara la refrigeración mas apropiada. En compresores pequeños, las aletas de refrigeración se encargan de irrigar el calor. Los compresores mayores van dotados de un ventilador adicional, que avacua el calor.
Figura 5.4. Tipos de Regulaciones •
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Regulaciones de marcha en vacío.- En esta simple regulación se trabaja con una válvula reguladora de presion a la salida del compresor. Cuando en el depósito se ha alcanzado la presion deseada, dicha válvula abre el paso y permite que el aire escape a la atmósfera. Y una valvula antiretorno impode que el deposito se vacie. Regulación por aislamiento de la aspiración.-La turbuladua de aspiración del compresor esta cerrada. El compresor no puede aspirar y siguir funcionando en el margen de depresión.
Figura 5.7. Aletas refrigerantes Cuando se trata de una estación de compresión de másde 30 kW de potencia, no basta la refrigeración poraire. Entonces los compresores van equipados de unsistema de refrigeración por circulación de agua encircuito cerrado o abierto. A menudo se temen losgastos de una instalación mayor con torre derefrigeración. No obstante, una buena refrigeraciónprolonga la duraci duración ón del compre compresor sor y propor proporcio cionaa naaire ire más más frío frío y en mejores condiciones. En ciertas circunstancias, circunstancias, incluso permite ahorrar un enfriamiento posterior del aire u operar con menor potencia. F. Lugar de instalación
La estacion de compresion debe situarse en un local cerrado. El recinto debe estar bien ventilado y el aire aspirado deber ser lo mas fresco, limpio de polvo y seco posible. G. Acumulador Acumulador de aire comprimido comprimido
El acumulador o depósito sirve para estabilizar el suministro de aire comprimido. Compensa las oscilaciones de presión en la red de tuberías a medida que se consume aire comprimido. Gracia Graciass a la gran gran superfi superficie cie del acumu acumulad lador or,, el airese airese refrigera adicionalmente. Por este motivo, en elacumulador se
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desprende directamente una parte de la humedad del aire en forma de agua
Para ello, se ha de disponer de los caudales de entrada y salida. Por tratarse de flujo compresible, dichos caudales no son iguales, por lo que la fórmula de cálculo de la potencia será: W = P 2
Figura 5.8. Aletas refrigerantes H. Rangos de compresores compresores
De acuerdo con la figura podemos observar que también se puede dimensionar teniendo el caudal que circula por las tuberías y la presión.
∗
Q2 − P 1 ∗ Q2
Donde la presión en la salida (P2) sería el resultado de los cálculos anteriormente anteriormente expuestos (suma de la presión requerida para realizar un efecto útil más las correspondientes pérdidas de carga) y la presión en la entrada (P1), que habitualmente será la atmosférica (a menos que el compresor aspire el aire de una sala o depósito a presión). Utilizando las expresiones del flujo compresible, se puede reordenar y obtener: W = P 2 ∗ Q2 − P 1 ∗ Q2
=
P 2 ∗ Q2 ∗
γ γ −1
P 2 P 1
γ −1 γ
− 1
Expresión en la que la única variable no definida es g, es decir, el coeficiente de expansión adiabático, que para el aire tiene un valor g = 1.4. Este valor calculado de potencia media serviría para seleccionar el correspondiente equipo en un catálogo. VII. G RUPO C OMPRESOR . Además del dimensionado del compresor, compresor, deberíamos elegir el resto de componentes que se encuentran en la sala de máquinas y dimensionarlos también (ver figura 5.10), aunque generalmente es el fabricante el encargado de facilitar toda la instalación necesaria. Vemos en el siguiente esquema los elementos necesarios en la sala.
Figura 5.9. Rangos de compresores VI. D IMENSIONAMIENTO DE UN SISTEMA El caudal de 37.29 CFM, presión de trabajo 101 PSIG (7 bar), caída de presión de 0.5 bar. Que la equivalencia de 1 HP=3.92 CFM, con la tabla de Cálculo de CFM según amoda˘ modelo˘ eloacompresor, a˘ compresor, se ha seleccionado un compresor tipo tornillo que requiere un motor de 10 HP. Figura 7.1. Grupos de elementos del Compresor
Figura 6.1. Modelos de compresores Como cálculo final, se puede dar un criterio para seleccionar el compresor mediante la obtención de la potencia requerida.
El grupo compresor de aire está formado por: 1. Filtro de aire aspirado. 2. Grupo motocompresor. 3. Refrigerador. 4. Válvula antirretorno. 5. Acumulador de aire, depósito. 6. Válvula de seguridad. Limitador de presión. 7. Purgador manual. 8. Presostato. Al alcanzar el depósito la presión máxima, manda una señal de paro al motor.
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9. Conjunto de: filtro – manómetro – regulador – engrasador. engrasador. VIII. C UADRO TÉCNICO DE SÍNTOMAS DE FUNCIONAMIENTO ANORMAL , CAUSAS Y CORRECCIÓN
Figura 8.1. Cuadro Técnico
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IX. CONCLUSIONES En muchas ocasiones los compresores compresores se ven sobredimensionados, por la falta de experiencia o el desconocimiento de leyes fisicas que riguen los compresores.Es por ello los fabricantes de compresores proveen de una tabla de caudales y presiones para identificar el compresor, y en el caso de no poseer dicha informacion se recurre a los modelos matematicos descritos. El aire que se use en todos los compresores debe ser de preferencia limpio y seco para evitar mal funcionamiento. Es de vital vital impor importan tancia cia conoce conocerr la aplica aplicacio cionn en su totalidad,en la que se vaya usar el compresor ya que de esto dependera el exito de escoger el instrumento de trabajo. Cabe recalcar que se debe respetar presiones nominales del acumulador y tiempo de uso si es servicio de 24 horas o periodicamente, para evitar accidentes graves en operadores. X. BIBLIOGRAFÍA ROLDA ROLDAN N José, José, Neumátic Neumática, a, Hidráulic Hidráulicaa y Electric Electricidad idad Aplicada. GONZALES Carlos, http://www.aie.cl/files/file http://www.aie.cl/files/file/comites/ca/ /comites/ca/abc/Limitabc/Limitswitch%20.pdf. PARK PARKER ER HANNIF HANNIFIN IN CORPOR CORPORA ATION, TION, Tecnolo ecnología gía Neumática Industrial. http://es.scribd.com/doc/50110 http://es.scribd.com/doc/50110024/10/Eleccion024/10/Eleccion-deldelcompresor
