UNIVERSIDAD DE ORIENTE NÚCLEO DE ANZOÁTEGUI ESCUELA DE INGENIERÍA Y CIENCIAS APLICADAS DEPARTAMENTO DE MECÁNICA LABORATORIO DE INGENIERÍA MECÁNICA MECÁNIC A IV (061-5161)
COMPRESOR CENTRÍFUGO
Realizado por:
Revisado por:
Br. Frank Fra nk Medina
C.I:18765418 Secc: 22
Br. Héctor Olivero
C.I:17435196 Secc: 22
Br. Juan Casanova
C.I:17435196 C.I:17435196 Secc: 22
Barcelona, Julio del 2011.
Prof. Yordi Gonzalez Gonzal ez
RESUMEN En la presente se evaluó el comportamiento de un compresor centrífugo centrífugo Armfield FM12, mediante la observación de sus componentes y la obtención de sus curvas operacionales. Para ello se dispuso de un banco de prueba el cual estaba constituido por sensores de velocidad, presión y temperaturas los cuales estaban acoplados al computador el cual registraba los datos en el software Lab View 8.2. En el desarrollo de la práctica se procedió a variar el caudal cada cada (5) segundos, mediante mediante la obstrucción de la tubería de descarga se observo la variación de las principales variables tales como velocidad, la caída de presión en la placa de orificio. Luego de obtenidos dichos valores se graficaron la curva del sistema así como la del compresor. No fue posible obtener el punto de operación del equipo debido a que el número de muestra muestrass es muy pequeño.
1.
INTRODUCCIÓN
Un compresor es una máquina de fluido que está construida para aumentar la presión y desplazar cierto tipo de fluidos llamados compresibles, tal como lo son los gases y los vapores. Esto se realiza a través de un intercambio de energía entre la máquina y el fluido en el cual el trabajo ejercido por el compresor es transferido a la sustancia que pasa por él convirtiéndose en energía de flujo, aumentando su presión y energía cinética impulsándola a fluir. 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 trabajo es compresible, sufre un cambio apreciable de densidad y, generalmente, también de temperatura; a diferencia de los ventiladores y los sopladores, los cuales impulsan fluidos compresibles, pero no aumentan su presión, densidad o temperatura de manera considerable. Dentro de los compresores más utilizados se encuentra el compresor centrifugo comprime el gas aplicándole fuerzas de inercia (aceleración, deceleración, cambios de dirección) mediante el uso de impulsores con álabes. El gas entra por el ojo del impulsor en dirección axial, luego el flujo es cambiado hacia la dirección radial y acelerado hacia la periferia a medida que se mueve a través del impulsor, luego sale del impulsor y entra en un difusor. Los compresores centrífugos se usan industrialmente por varias razones: tienen menos componentes a fricción, también relativamente eficientes, y proporcionan un caudal mayor que los compresores reciprocantes (o de desplazamiento positivo) de tamaño similar. El mayor inconveniente es que no llegan a la relación de compresión típica de los compresores alternativos, a menos que se encadenen varios en serie. Los ventiladores centrífugos son especialmente adecuados para aplicaciones donde se requiere un trabajo continuo, como el caso de sistemas de ventilación, unidades de refrigeración, y otras que requieran mover grandes volúmenes de aire aumentando su presión mínimamente. La práctica que se presenta a continuación reúne una variedad de información correspondiente a las características funcionales de un compresor centrifugo modelo ARMFIELD FM12, LA cual es de suma importancia para obtener la curva del equipo y
del sistema y consecuentemente encontrar el punto de operación del compresor centrifugo que nos indica cuales son las condiciones de operación más favorable para el funcionamiento de dicho equipo.
2.
OBJETIVOS
Objetivo General Evaluar el funcionamiento de un compresor centrífugo mediante la observación de sus componentes y la obtención de sus curvas operacionales.
Objetivos Específicos 1. Identificar los componentes y el principio de funcionamiento del banco de prueba a utilizar. 2. Determinar el rendimiento a velocidad constante, en términos de presión total, velocidad del rotor y potencia de entrada del motor, como función del caudal de entrada. 3. Obtener la curva característica del compresor. 4. Construir la curva característica del sistema compresor. 5. Determinar el punto de operación del compresor.
3.
MARCO TEÓRICO
3.1
COMPRESORES CENTRIFUGOS
El compresor centrífugo es una turbomáquina que consiste en un rotor que gira dentro de una carcasa provista de aberturas para el ingreso y egreso del fluido. El rotor es el elemento que convierte la energía mecánica del eje en cantidad de movimiento y por tanto energía cinética del fluido. En la carcasa se encuentra incorporado el elemento que convierte la EC en energía potencial de presión (el difusor) completando así la escala de conversión de energía.
Figura 3.1. Compresor centrifugo
3.2
Componentes principales de los compresores centrífugos
Las características generales de los compresores centrífugos son similares en cuanto a componentes. Las diferencias particulares dependen del tipo de compresor, aplicación y detalles de fabricantes. a)
Carcasa: las carcasas de los compresores pueden ser del tipo dividido o partido,
horizontal o verticalmente, con respecto al eje. Para el mantenimiento, es más fácil el acceso al rotor con la carcasa dividida horizontalmente que con la que lo está en forma vertical. Sin embargo, la del tipo horizontal tiene capacidad limitada de presión debido a la gran superficie de sellado en la unión. Cuando se utiliza carcasa dividida en sentido vertical, se debe dejar espacio para sacar la carcasa interna y el rotor. La selección del material para las carcasas y rotores depende del gas que se comprima.
b)
Diafragma: es una pieza que incluye los difusores donde se convierte la energía
cinética de salida del gas del impulsor en presión estática y un canal de retorno para dirigir el flujo hacia la succión de la etapa siguiente. Tanto el difusor como los canales de retorno se diseñan con precisión para optimizar el pasaje del flujo en cada etapa y lograr un amplio rango operativo. c)
Rotor: es el conjunto formado, principalmente, por los impulsores, camisas y
pistón de balance, que se suelen fijar mediante interferencia con el eje. Los rotores están diseñados y construidos para impedir una inclinación del impulsor o flexión del eje durante la operación, mientras mantienen una suficiente holgura de ajuste para una operación a alta velocidad. d)
Impulsor: está formado por dos partes , el inductor, que es la parte por donde
entra el gas, tiene forma con curvatura hacia la dirección del movimiento y el impulsor propiamente dicho que es donde se transfiere energía al gas. e)
Cojinetes: los cojinetes lubricados se utilizan para reducir las pérdidas por
fricción. En los compresores se utilizan dos tipos de cojinetes, los cojinetes radiales que soportan las fuerzas debidas al torque y al peso y los cojinetes de empuje que absorben las fuerzas axiales del rotor. f)
Sellos: se emplean para evitar fugas de gas desde el interior del compresor hacia
el exterior.
3.3
Base de funcionamiento
El compresor centrifugo es un dispositivo tipo dinámico, no de desplazamiento positivo como el resto de los equipos utilizados en maquinas de compresión. Está constituido por una o más ruedas de impulsoras montadas sobre el eje y contenido dentro de una carcasa. El aumento de presión se consigue por conversión desde energía cinética.
3.4
El principio de operación de un compresor centrí fugo es similar al de los
ventiladores o bombas centrifugas.
El vapor de agua a baja presión y con baja velocidad, proveniente de la tubería de succión, se introduce en la cavidad interna u ojo de la rueda impulsora a lo largo de la dirección del eje del rotor.
Una vez en la rueda, el vapor es forzado a salir radialmente hacia el exterior por la acción de los alabes del impulsor y por la fuerza centrifuga desarrollada en la rotación de la rueda.
El vapor es descargado a una velocidad alta, habiendo experimentado así mismo un aumento de temperatura y presión.
Cuando deja la periferia de la rueda es conducido a unos pasadizos situados en el cuerpo mismo del compresor y que están esencialmente diseñados para reducir la velocidad del vapor. Estos dirigen al vapor hacia la entrada del siguiente impulsor o, en el caso del último paso, lo descargan a una cámara desde donde el vapor pasa a la tubería de descarga hacia el condensador.
3.4.1
Proceso de compresión
Los dos procesos que tienen lugar dentro del turbocompresor son:
Un aumento de la energía cinética del gas (presión dinámica), y también algo estática. Este proceso tienen lugar en el rodete.
Disminución gradual, sin turbulencias, de la velocidad alcanzada por el gas en el rodete, consiguiéndose compartida una elevación de la presión estática. Este segundo proceso tiene lugar en el difusor.
3.4.2
Aumento de energía cinética en rodete
Este proceso tienen lugar en el rodete que tiene como misión acelerar el gas, que es aspirado axialmente hacia el centro del rodete, y cambia su dirección en 90° convirtiéndolo en un flujo radial.
Cuando el rodete en un turbocompresor gira en presencia de un gas, la fuerza centrifuga le empuja desde la boca de entrada del rodete hasta el final del alabe. La velocidad del fluido a la salida del alabe, originada por esta fuerza centrifuga es w2.
Por otra parte el fluido es empujado también en la dirección de la trayectoria del extremo exterior dl alabe, punto donde la velocidad es, u 2=r 2.r. estas dos velocidades que actúan simultáneamente sobre el fluido a la salida del alabe, se combinan entre sí para dar en dicha salida una resultante c2 que es, en magnitud y sentido, la velocidad absoluta a la que realmente el fluido abandona el alabe, cuyo valor suele ser del orden del (50/70%) de u 2, dependiendo del ángulo ß 2 a la salida.
Figura 3.2. Velocidades y ángulos de alabes. 3.4.3
Intercambio de energía cinética a presión
Este proceso tiene lugar en el difusor.
Los cambios de velocidad y presión estática que el gas experimenta a su paso por el turbocompresor centrifugo son:
1. OA. Presión estática y dinámica a la entrada del turbocompresor. 2. MB. Presión estática a la salida del rodete. 3. MC, presión dinámica a la salida del rodete. 4. NE. Presión dinámica a la salida del difusor. 5. NF. Presión estática a la salida del difusor.
Figura 3.3. Presión estática y dinámica a la salida del difusor
4.
DESRIPCIÓN DEL EQUIPO Y SU FUNCIONAMIENTO
4.1
Descripción de la unidad de compresión
Para comprender el sistema de banco de prueba del compresor centrífugo, en el texto a continuación se referencia la Fig. 4.1.
Figura 4.1: Compresor centrífugo FM12 El equipo consta de un compresor centrífugo de 7 etapas (12) accionado por un motor eléctrico montado sobre un zócalo de apoyo (2). El ducto de entrada elaborado en acrílico transparente y el conducto de salida (7 y 14 respectivamente) están instalados en el compresor para permitir que el aire que pasa a través de la unidad sea monitoreado. Un conjunto de sensores adecuados se incorporan en la unidad para facilitar el análisis del funcionamiento del compresor cuando se conecta a un microordenador a través de una interfaz de consola de IFD. Además de las tomas requeridas por los sensores de presión, tomas adicionales (9, 10 y 13) se incluyen en los conductos para permitir la calibración de los instrumentos adecuados para ser conectado. El flujo de aire a través del compresor se regula mediante un dispositivo de control del acelerador (15) instalado en la salida del conducto de descarga. La rotación del cuello se abre y cierra una abertura variable, la cual permite que el flujo producido por el compresor sea modificado. Los siguientes sensores se utilizan para supervisar el rendimiento del compresor:
El sensor de presión (SPG2) conectado al canal 1 en el IFD. Este se compone de un dispositivo sensible a la presión con las condiciones apropiadas de señal, está contenido en un estuche protector (4) y se utiliza para medir la presión desarrollada a través de la placa orificio (8) instalada en la entrada del conducto de entrada (7). El caudal de volumen de aire a través del ventilador se puede calcular mediante esta medida. El sensor está conectado a la toma adecuada en el conducto mediante un tubo flexible. Adicionalmente otro tubo flexible (9) se coloca para la conexión de la instrumentación adecuada (no suministrado) para facilitar la calibración del sensor de presión diferencial.
El sensor de presión diferencial SPW1 relacionada con el canal 2 de IFD se compone de un dispositivo sensible a la presión con las condiciones apropiadas de señal, está contenido en un estuche protector (11) y se utiliza para medir la diferencia de presión entre la entrada y salida del compresor. El sensor está conectado a las tomas apropiadas en los conductos utilizando tubería flexible. Tomas adicionales (10 y 13) se proporcionan para la conexión de la instrumentación adecuada (no suministrado) para facilitar la calibración del sensor de presión diferencial.
El sensor de velocidad de rotación SSO1 conectado al canal 3 de la IFD se compone de un interruptor óptico infrarrojo en un conductor remoto conducido con las condiciones apropiadas de señal, está contenido en un estuche protector (3) y se utiliza para medir la velocidad de rotación de los impulsores del compresor. El interruptor óptico se monta en un soporte al lado del eje del motor que incorpora una banda reflectante para facilitar la medición de la velocidad de rotación. Un adecuado tacómetro óptico de no contacto (no suministrado) se puede utilizar para calibrar el sensor de velocidad de rotación (se utiliza junto con una banda reflectante instalada en la parte superior del eje impulsor, que es accesible mediante la eliminación de los conductos de entrada).
El sensor de temperatura STS1 relacionado con el canal 4 del IFD se compone de un dispositivo semiconductor sensible a la temperatura (6) con las condiciones apropiadas de señal, está en un estuche protector (5) y se utiliza para medir la temperatura del aire que entra al compresor. El sensor se inserta a través de la pared del conducto usando una glándula. El sensor puede ser removido de la glándula con el propósito de la calibración utilizando el equipo adecuado (no suministrado).
4.2
Curvas características del banco experimental
Una vez automatizado el banco de pruebas del compresor centrífugo, se hacen mediciones con los sensores y mediante la aplicación de un software se generan las curvas de funcionamiento del prototipo (Fig. 4.2):
Velocidad de rotación en función del volumen del caudal.
Presión total en función del volumen del caudal.
Eficiencia general en función del volumen total de caudal.
Figura. 4.2 Curvas características del compresor centrífugo FM12 En las curvas características del compresor se ilustra la relación entre la presión, la descarga, eficiencia y potencia en un amplio rango de condiciones de operación, pero no indican en cual punto de las curvas el compresor estará operando. El punto de operación se consigue mediante la intersección de la curva de presión-descarga del compresor con la curva de presión-descarga del sistema, como se muestra en la Fig. 4.3. La intersección de las dos curvas representa la presión y descarga que producirá el compresor sobre el sistema de tuberías.
Figura. 4.3 Determinación del punto de operación del compresor
5.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1. Encender la computadora y acceder al software Labview. 2. Configurar el software en función de la data que se desee obtener (se recomiendan 10 muestras y 5 segundos para cada una). 3. Encender el compresor (verifique que la entrada y salida del aire no estén obstruidas). 4. Iniciar la toma de datos del software. Cada vez que cambie el número de muestra, estrangular el flujo de aire de salida. El estrangulamiento debe ser tal, que la última muestra corresponda a un estrangulamiento total a la descarga de la tubería. 5. Apagar el compresor 6. Guardar la data generada
6.
DATOS ESPERIMENTALES
Tabla 6.l. Datos suministrados por el fabricante. Parámetros
Medidas
Diámetro de entrada
32 mm
Diámetro de salida
39 mm
Diámetro del orificio de la placa
35
Coeficiente de descarga de la placa orificio
0,596
Presión atmosférica
101325 Pa
Potencia de entrada del motor
250 Watts
Tabla 6.2. Datos del compresor centrifugo obtenidos experimentalmente. Temperatura
Velocidad del compresor
P Compresor
P Placa orificio
Fluido (°C)
(Hz)
(KPa)
(KPa)
24,6136
54,5236
7,7367
0,114054
24,6136
53,4968
7,66329
0,240873
24,6136
51,0947
7,46139
0,459319
24,9442
49,4075
5,69937
0,653493
24,7238
48,7784
5,13038
0,649852
24,8891
48,1778
4,89177
0,669876
24,7789
47,4915
4,54304
0,806405
24,7789
47,1484
4,23101
0,835531
24,5034
46,8624
4,28608
0,819148
24,5034
46,5764
3,35
0,832497
7. RESULTADOS
Tabla 7.3. Parámetros de flujo obtenidos experimentalmente. Velocidad de
Velocidad de
succión (m/s)
descarga (m/s)
0,0079702
9,913225
6,669651139
1,180709
0,0115827
14,406344
9,692636341
1,180709
0,0159946
19,893762
13,38458972
1,179399
0,0190887
23,742217
15,9738429
1,180272
0,0190284
23,667225
15,92338801
1,179617
0,0193248
24,035759
16,1713392
1,180054
0,0211989
26,366768
17,73964962
1,180054
0,0215783
26,838706
18,05717121
1,181147
0,0213558
26,561982
17,87099057
1,181147
0,0215291
26,777537
18,01601673
Densidad (m/v³)
Caudal (m³/s)
1,180709
Tabla 7.4. Parámetros obtenidos experimentalmente. Rendimiento del compresor
Presión Total (Pa)
Energía de salida (W)
7768,453867
61,91638823
24,76655529
7730,351648
89,53834734
35,81533894
7589,269377
121,387212
48,55488479
5881,309519
112,2668016
44,90672064
5311,305825
101,0659103
40,42636412
5078,270723
98,13631388
39,25452555
4767,551873
101,0667663
40,42670651
4463,630867
96,31765339
38,52706136
4514,139663
96,40321605
38,56128642
3581,776168
77,11256056
30,84502423
(%)
Fi
7.1
C
caract r í tica del sistema y del compresor
10.
BIBLIOGRAFÍA
1.
ESPINOZA, H.³Compresores´. Puerto la Cruz. Departamento de Mecánica.
Universidad de oriente, Venezuela (2010). 2.
MATAIX, C. ³Mecánica de los Fluidos y Maquinas Hidráulicas´ 2da Edición.
Editorial Harla. México (1982). 3. ³Compresor
centrífugo FM12´. [Disponible en http://www.armfield.co.uk].
APÉNDICE A ± EJEMPLO DE CÁLCULOS
Densidad del aire
A.1
Donde, : densidad del aire (Kg/m3) Ta: Temperatura del aire a la entrada del compresor (°C) Pa: Presión atmosférica (Pa = 101325 Pa)
Sustituyendo los valores correspondientes de la tabla 6.2, se obtiene,
°
Caudal
Donde, Qv: Caudal de aire (m3/s) Cd: coeficiente de la placa orificio (Cd = 0,596) d: diámetro de la palca orificio (m) dpo: diferencial de presión en la placa orificio
A.2
Por continuidad el flujo que entra es igual al que sale. Por ende, al sustituir se obtiene que,
Velocidad
La velocidad en el tramo de salida y de entrada viene dado por la ecuación,
(A.3)
Donde, V: velocidad en la tubería (m/s) A1: área de la tubería (m 2) El área de la tubería de succión se obtiene a partir de,
La velocidad en la tubería de succión se obtiene al sustituir en la ecuación A.3, los datos respectivos
Los resultados para velocidad en las tuberías de succión y descarga se encuentran en la tabla 7.3.
Presión total producida
(A.4)
Donde, dps: caída de presión a través del compresor (Pa) Ptf: presión total producida en el ventilador (Pa)
Sustituyendo, los valores de velocidad de la tabla 7.1 y la diferencia de presión en el compresor de la tabla 6.2, se obtiene que:
Potencia producida por el ventilador
Donde, Pu: potencia a la salida del ventilador (Watts)
Al sustituir los valores correspondientes de la tabla 7.3, se obtiene:
(A.5)
Eficiencia del compresor
(A.6)
Donde, Pe: potencia de entrada del motor (Watts) De la tabla 6.1, se obtiene que la potencia de entrada del motor es de 250 Watts, por lo tanto:
APENDICE B-ANEXOS
Fig. B.1. Compresor centrifugo.
Fig. B.2. Interface del software con los datos del proceso de compresión estudiado
